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DE102004017443B3 - Device for stirring electrically conducting liquids in a container to control material and heat exchange comprises a control/regulating unit with an interrupting unit and a computer - Google Patents

Device for stirring electrically conducting liquids in a container to control material and heat exchange comprises a control/regulating unit with an interrupting unit and a computer Download PDF

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DE102004017443B3
DE102004017443B3 DE102004017443A DE102004017443A DE102004017443B3 DE 102004017443 B3 DE102004017443 B3 DE 102004017443B3 DE 102004017443 A DE102004017443 A DE 102004017443A DE 102004017443 A DE102004017443 A DE 102004017443A DE 102004017443 B3 DE102004017443 B3 DE 102004017443B3
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DE
Germany
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magnetic field
flow
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meridional
lam
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DE102004017443A
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German (de)
Inventor
Kerstin Eckert
Roger Grundmann
Petr A. Nikrityuk
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Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
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Abstract

Device for stirring electrically conducting liquids (2) in a container (3) comprises a control/regulating unit (5) with an interrupting unit (6) and a computer (7). The interrupting unit interrupts a rotating magnetic field after reaching the maximum Stokes flow region in a specified time interval. An independent claim is also included for a process for stirring electrically conducting liquids in containers using the above device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten in Behältern, in denen durch Rotation eines Magnetfeldes mittels sich zentralsymmetrisch gegenüberliegender und außerhalb der Behälter befindlicher Induktionsspulen eine azimutale Strömung und eine meridionale Strömung im quasi-Stokesschen Strömungsbereich innerhalb der leitenden Flüssigkeit erzeugt werden.The The invention relates to a method and apparatus for stirring electrically conductive liquids in containers, in which by rotation of a magnetic field by means of centrally symmetrical opposed and outside the container Induction coils an azimuthal flow and a meridional flow in the quasi-Stokes flow regime within the conductive fluid be generated.

Herkömmlich werden permanent rotierende elektromagnetische Felder zur Strömungssteuerung sowie zur Steuerung der Stoff- und Wärmeübertragung von leitenden Flüssigkeiten in zugehörig geformten Behältnissen, insbesondere in zylindrischen Behältern eingesetzt.Become conventional permanently rotating electromagnetic fields for flow control as well as to control the fabric and heat transfer of conductive liquids in belonging shaped containers, used in particular in cylindrical containers.

Wird eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit wie beispielsweise eine Metallschmelze einem äußeren elektromagnetischen Feld, das in außerhalb des Behältnisses angeordneten Elektromagneten erzeugt wird, ausgesetzt, so werden in der Schmelze Wirbelströme induziert. Die Wirbelströme üben ihrerseits durch Rückkopplung mit dem Magnetfeld eine Lorentz-Kraft auf die Schmelze aus. Dabei bestehen die Elektromagnete jeweils aus zwei sich gegenüberliegenden Induktionsspulen.Becomes an electrically conductive liquid such as a molten metal an external electromagnetic field, that in outside of the container arranged electromagnet is generated, are exposed in the melt eddy currents induced. The eddy currents in turn practice through feedback with the magnetic field a Lorentz force out to the melt. In this case, the electromagnets are made respectively two opposite ones Induction coils.

Werden insbesondere um den zylinderförmigen Behälter für die Metallschmelze mehrere Elektromagneten angeordnet, kann ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugt und ein Rühren der Metallschmelze bewirkt werden, wobei eine primäre, die azimutale Strömung entsteht.Become especially around the cylindrical one container for the Molten metal arranged several electromagnets, can be an electromagnetic Rotating field generates and stirring the molten metal to be effected, wherein a primary, the azimuthal flow arises.

Das permanent rotierende Magnetfeld mit einer konstanten Winkelfrequenz wird an den mit flüssigem Metall gefüllten zylindrischen Behälter angelegt. Das Magnetfeld der Induktionsspulen induziert eine axialsymmetrische Lorentz-Kraft FL, die azimutal orientiert ist, und führt so eine Rotation der Flüssigkeit herbei. Die induzierte Lorentz-Kraft FL besteht aus zwei Komponenten: Aus einer zeitunabhängigen sowie aus einer zeitabhängigen, mit doppelter Frequenz oszillierenden Komponente. Letztere hat eine relativ geringe Wirkung auf den Schmelzfluss, wie in der Druckschrift Physics of Fluids, 11, 1821–1826, 1999: Nonaxisymme-tric flow in a finite-legth cylinder with a rotating magnetic field, beschrieben ist.The permanently rotating magnetic field at a constant angular frequency is applied to the liquid metal filled cylindrical container. The magnetic field of the induction coils induces an axially symmetric Lorentz force F L , which is azimuthally oriented, and thus causes a rotation of the liquid. The induced Lorentz force F L consists of two components: a time-independent and a time-dependent component oscillating at twice the frequency. The latter has a relatively small effect on the melt flow, as described in the publication Physics of Fluids, 11, 1821-1826, 1999: Nonaxisymetric flow in a finite-cylinder with a rotating magnetic field.

Die Wechselwirkung zwischen einem mit konstanter Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl permanent rotierenden Magnetfeld und einer leitenden Flüssigkeit hängt von verschiedenen Parametern ab, wie den materiellen Eigenschaften der leitenden Flüssigkeit (kinematische Viskosität ν, Dichte ρ, elektrische Leitfähigkeit σ, magnetische Permeabilität μ0), den Eigenschaften des rotierenden Magnetfeldes (magnetische Induktion B, Winkelfrequenz des Magnetfeldes ω = 2πf, wobei f die Wechselstromfrequenz bezeichnet, ferner das Verhältnis der Polzahl zur Phasenzahl in der jeweiligen Quelle p), sowie der Geometrie des Behälters (Höhe H und Radius R bei einem Zylinder). Die Parameter können in die folgenden dimensionslosen Kennzahlen eingeteilt werden: Die Hartmann-Zahl

Figure 00030001
die Reynolds-Zahl
Figure 00030002
entsprechend der Rotation des Magnetfeldes, die relative Frequenz des Magnetfeldes ω = μ0σωR2 und das auf den Behälter bezogene Größenverhältnis
Figure 00030003
Die Hartmann-Zahl Ha und Reynolds-Zahl Reω können zur Taylor-Zahl Ta = Ha2Reω zusammengefasst werden.The interaction between a constant angular velocity or rotating magnetic field and a conducting liquid depends on various parameters, such as the material properties of the conductive liquid (kinematic viscosity ν, density ρ, electrical conductivity σ, magnetic permeability μ 0 ), the properties of the rotating magnetic field (magnetic induction B, angular frequency of the magnetic field ω = 2πf, where f is the AC frequency, further the ratio of the number of poles to the number of phases in the respective source p), as well as the geometry of the container (height H and radius R in a cylinder) , The parameters can be divided into the following dimensionless numbers: The Hartmann number
Figure 00030001
the Reynolds number
Figure 00030002
according to the rotation of the magnetic field, the relative frequency of the magnetic field ω = μ 0 σωR 2 and the size ratio related to the container
Figure 00030003
The Hartmann number H a and Reynolds number Re ω can be combined to form the Taylor number Ta = Ha 2 Re ω .

Für die Skalierung der Geschwindigkeiten und Zeiten wird die Winkelgeschwindigkeit der Magnetführung

Figure 00030004
festgelegt, woraus sich die folgenden azimutalen Geschwindigkeits- und Zeitskalen ergeben:
Figure 00030005
For the scaling of the speeds and times, the angular velocity of the magnetic guide
Figure 00030004
which gives the following azimuthal velocity and time scales:
Figure 00030005

Die Festlegung der genannten auf Referenzgrößen bezogenen Geschwindigkeits- und Zeitangaben führt zur Unifizierung der vom permanent rotierenden Magnetfeld induzierten Wirbeleigenschaften.The Definition of the reference speed reference speed and times for the unification of the permanently rotating magnetic field induced Vortex characteristics.

Der Einsatz rotierender Magnetfelder zur Strömungssteuerung sowie zur Steuerung der Stoff- und Wärmeübertragung in leitenden Flüssigkeiten während der Erstarrung ist in der Metall- und Halbleiterindustrie inzwischen weit verbreitet, wie in den Druckschriften Journal Metals, 167, 31–37, 1984: Electromagnetic stirring and continuous castingachievements, problems and goals, sowie Acta Astronautica, 37, 333–345, 1995: Electromagnetic field application in the processes of single crystal growth under microgravity, beschrieben ist. Dabei werden durch das Rühren von Metall- und Halbleiterschmelzen, insbesondere die Erzeugung einer Wirbelströmung durch ein permanent rotierendes Magnetfeld jeweils unterschiedliche Ziele verfolgt.Of the Use of rotating magnetic fields for flow control and control the mass and heat transfer in conductive liquids while The solidification is in the metal and semiconductor industry meanwhile widely used, as in the publications Journal Metals, 167, 31-37 1984: Electromagnetic stirring and continuous casting Problems and goals, and Acta Astronautica, 37, 333-345, 1995: Electromagnetic field application in the process of single crystal growth under microgravity, is described. In doing so, by stirring Metal and semiconductor melts, in particular the generation of a vortex flow by a permanently rotating Magnetic field each pursued different goals.

In der Metallurgie soll das Rühren die Herausbildung einer feinkörnigen Struktur in der erstarrenden Legierung begünstigen, weshalb eine hochintensive Strömung notwendig ist, um globulitische Körner zu erhalten. Während des Kristallwachstums wird das permanent rotierende Magnetfeld eingesetzt, um einerseits die durch thermische Konvektion hervorgerufenen Temperaturschwankungen zu unterbinden, sowie andererseits die Homogenität der Schmelze in der Nähe der Erstarrungsfront zu verbessern, wodurch die Kristallqualität erhöht wird. Beide Anwendungen nutzen die Wirkung des Auftretens einer sekundären, der meridionalen Strömung in der Schmelze aufgrund der durch das permanent rotierende Magnetfeld induzierten azimutalen Strömung, wie in der Druckschrift Cambridge University Press, 431, 2001: An Introduc tion to Magnetohydrodynamics, beschrieben ist, da die Meridionalströmungen im Wesentlichen den Wärme-/Masse-Transfer in der flüssigen Phase eines sich verfestigenden Materials bestimmen, wie in den Druckschriften Acta Astronautica, 37, 333–345, 1995: Electromagnetic field application in the processes of single crystal growth under microgravity sowie Magnetohydrodynamics, 37, 337–347, 2001: Influence of alternating magnetic field on the hydrodynamics and heat/mass transfer in the processes of bulk single crystal growth, beschrieben ist.In The metallurgy is said to stir the formation of a fine-grained Favor structure in the solidifying alloy, which is why a highly intensive flow necessary to obtain globulitic grains. During the Crystal growth, the permanently rotating magnetic field is used, on the one hand, caused by thermal convection temperature fluctuations On the other hand, the homogeneity of the melt in the vicinity of the solidification front to improve, whereby the crystal quality is increased. Both applications use the effect of the appearance of a secondary, the meridional flow in the melt due to the permanently rotating magnetic field induced azimuthal flow, as in the Cambridge University Press, 431, 2001: An Introduc tion to Magnetohydrodynamics, described as the meridional flows in the Essentially the heat / mass transfer in the liquid Determine phase of a solidifying material, as in the Publications Acta Astronautica, 37, 333-345, 1995: Electromagnetic field application in the process of single crystal growth under microgravity and Magnetohydrodynamics, 37, 337-347, 2001: Influence of alternating magnetic field on the hydrodynamics and heat / mass transfer in the processes of bulk single crystal growth.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Metallbandes durch einen kontinuierlichen Einguss von Metallschmelze zwischen zwei Gießrollen einer Rollen-Bandgießmaschine ist in der Druckschrift WO 03/024643 A2 beschrieben. Oberhalb des Schmelzbades nahe dem jeweiligen Übergang Schmelzbadoberfläche/Gießrolle werden in einem Kessel je ein magnetisches Drehfeld und dadurch in der Schmelze lokale Wirbelströme erzeugt. In der Schmelze entsteht eine Oberflächenströmung, die zur mittleren Ebene, d.h. zur Austrittsebene des Metallbandes gerichtet ist. Dadurch wird eine unerwünschte vorzeitige Erstarrung der Metallschmelze entlang der Gießrollenkanten verhindert und die Verunreinigungen und Oxide werden von den Gießrollen wegtransportiert. Die Erregung des elektromagnetischen Drehfeldes erfolgt durch mehrphasigen Wechselstrom mit sinus-, rechteck- oder andersförmigen Pulsformen, wobei Frequenz und Intensität einstellbar sind. Dabei können auch rotierende Dauermagneten eingesetzt sein, die das Behältnis umgeben.One Another method for producing a metal strip by a continuous pouring of molten metal between two casting rolls a roll strip casting machine is described in document WO 03/024643 A2. Above the Melt bath near the respective transition melt surface / casting roll in a boiler ever a magnetic rotating field and thereby in the Melt local eddy currents generated. In the melt, a surface flow is created, which leads to the middle level, i.e. is directed to the exit plane of the metal strip. Thereby becomes an undesirable premature solidification of the molten metal along the cast roll edges prevents and the impurities and oxides are from the casting rolls transported away. The excitement of the electromagnetic rotating field carried out by multiphase alternating current with sinusoidal, rectangular or differently shaped Pulse shapes, whereby frequency and intensity are adjustable. It also can rotating permanent magnets are used, which surround the container.

Ein anderes Verfahren zum kontinuierlichen Metallgießen ist in der Druckschrift US 6 513 575 B1 beschrieben. Über ein eintauchendes Gießrohr wird das flüssige Metall in das Form behältnis gestrahlt. Dabei treten unerwünschte Schwingungen auf. Das Formbehältnis ist in diesem Bereich von Elektromagneten umgeben. Es kann ein statisches und ein überlagertes variierendes Feld erzeugt werden. Das Feld kann verschiedene Pulsformen annehmen und zu verschiedenen Zeiten an- und abgeschaltet werden. Das kann regelmäßig oder stochastisch erfolgen.Another method for continuous metal casting is in the document US Pat. No. 6,513,575 B1 described. Via a dipping pouring tube, the liquid metal is blasted into the mold. There are unwanted vibrations. The mold container is surrounded by electromagnets in this area. A static and a superimposed varying field can be generated. The field can assume different pulse shapes and be switched on and off at different times. This can be done regularly or stochastically.

Das Problem besteht darin, dass das alles jedoch nur zur Dämpfung des flüssigen Metalls dient.The Problem is that all this, however, only to dampen the liquid Metal serves.

Eine Vorrichtung zum Rühren von geschmolzenem Metall ist in der Druckschrift US 5 279 351 A beschrieben, wobei das Metall einem kontinuierlichen Gießprozess zugeführt wird. Die Vorrichtung besteht aus einer Mehrzahl von Induktionsspulen, die um das das Metall beinhaltende Behältnis angeordnet sind. Zumindest die Hälfte der Induktionsspulen bewirkt durch das elektromagnetische Drehfeld eine erste Drehbewegung im flüssigen Metall, der andere Teil bewirkt eine zweite Drehbewegung mit entgegengesetzter Drehrichtung, wobei die Ansteuerung und der Phasenwechsel der Induktionsspulen derart erfolgt, dass sich die beiden Drehbewegungen des flüssigen Metalls zusätzlich noch um die zentrale Gießachse bewegen.A device for stirring molten metal is in the document US 5 279 351 A described, wherein the metal is fed to a continuous casting process. The device consists of a plurality of induction coils, which are arranged around the container containing the metal. At least half of the induction coils caused by the electromagnetic rotating field a first rotational movement in the liquid metal, the other part causes a second rotational movement in the opposite direction of rotation, wherein the control and the phase change of the induction coils takes place in such a way that the two rotational movements of the liquid metal additionally move around the central casting axis.

Des Weiteren sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Rühren von geschmolzenen Aluminiumlegierungen in der Druckschrift US 20020186616 A1 beschrieben. Dabei sind um den Schmelzbehälter mehrere, getrennt ansteuerbare Induktionsspulensysteme angeordnet, die zum einen kreisförmige Bewegungen der Schmelze verursachen und zum anderen eine longitudinale Bewegung verursachen, so dass sich insgesamt durch die Überlagerung eine spiralförmige Bewegung der Schmelze ergibt.Furthermore, a method and an apparatus for stirring molten aluminum alloys in the document are US 20020186616 A1 described. In this case, several, separately controllable induction coil systems are arranged around the melting vessel, which cause on the one hand circular movements of the melt and on the other cause a longitudinal movement, so that the overall result of the superposition of a spiral movement of the melt.

Dabei treten immer neben der azimutalen Strömung die meridionalen Strömungen und Wirbelbildungen auf, wobei aber in den bekannten Anwendungslösungen die meridionale Strömung bzw. die dort vorhandene kinetische Energie keine wesentliche Rolle spielt.there always occur next to the azimuthal flow, the meridional currents and Whirling on, but in the known application solutions the meridional flow or the kinetic energy present there is not essential plays.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten in Behältern anzugeben, die derart ausgebildet sind, dass die kinetische Energie der meridionalen Strömung erhöht und dadurch der Wärme- und/oder Masse-Transfer verbessert werden. Dabei soll auch gewährleistet werden, dass die Strömung durch eine Vorgabe einer hohen magnetischen Taylorzahl in quasilaminaren oder nicht-linearen Strömungsbereichen bleibt.Of the Invention is based on the object, a method and an apparatus to stir of electrically conductive liquids in containers specify that are designed such that the kinetic energy of the meridional flow elevated and thereby the heat and / or mass transfer can be improved. It should also be guaranteed be that flow by a specification of a high magnetic number of tachyons in quasilaminaren or non-linear flow areas remains.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 7 gelöst. In dem Verfahren zum Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten in Behältern, in denen durch Rotation eines Magnetfeldes mittels sich zentralsymetrisch gegenüberliegender und außerhalb der Behälter befindlicher Induktionsspulen eine azimutale Strömung und eine meridionale Strömung im quasi-Stokesschen Strömungsbereich innerhalb der leitenden Flüssigkeit erzeugt werden, werden gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 nach dem Erreichen des Maximums des Stokesschen Strömungsbereiches das rotierende Magnetfeld einem Wechsel von Einschalten und Ausschalten des Magnetfeldes in einem Zeitintervall Δt/Δt* von Δt = tfm – tlam (dimensionsbehaftet) (Ia) oder Δt* = tfm* – tlam* (dimensionslos) (Ib)und die Flüssigkeit einer oszillierenden Lorentz-Kraft FPRMF unterworfen,
wobei tfm dem Zeitpunkt tEIN1 des Erreichens des ersten Minimums der volumengemittelten Geschwindigkeit der meridionalen Strömung nach dem Abschalten des Magnetfeldes, zu dem das Magnetfeld wieder eingeschaltet wird, entspricht,
und wobei tlam dem Zeitpunkt tAUS1 des Erreichens des ersten Maximums der volumengemittelten Geschwindigkeit der meridionalen Strömung nach dem Einschalten des Magnetfeldes, zu dem das Magnetfeld erstmals abgeschaltet wird,
entspricht.
The object of the invention is solved by the features of claims 1 and 7. In the method of stirring electroconductive liquids in containers in which an azimuthal flow and a meridional flow are generated in the quasi-Stokes flow area inside the conducting liquid by rotation of a magnetic field by means of centrally symmetric and out-of-vessel induction coils Characteristic part of claim 1 after reaching the maximum of the Stokes flow range, the rotating magnetic field a change of switching on and off the magnetic field in a time interval .DELTA.t / At * Δt = t fm - t lam (dimensioned) (Ia) or Δt * = t fm * - t lam * (dimensionless) (Ib) and the liquid is subjected to an oscillating Lorentz force F PRMF ,
wherein t fm corresponds to the time t IN1 of reaching the first minimum of the volume-average speed of the meridional flow after switching off the magnetic field to which the magnetic field is again switched on,
and wherein tlam is equal to the time t OFF1 of reaching the first maximum of the volume average velocity of the meridional flow after the magnetic field, at which the magnetic field is first switched off, is switched on,
equivalent.

Erfindungsgemäß wird die Bedingung durch die Ein- und Abschaltung des rotierenden Magnetfeldes erfüllt und zwar derart, dass die Abschaltung der induzierten Lorentz-Kraft im Maximum des zeitlichen Verlaufs der volumengemittelten meridionalen Geschwindigkeit und die Abschaltung im nachfolgenden Minimum und so weiter erfolgt, wobei t* dimensionslos vorgegeben werden kann, um eine ausführungsunabhängige Darstellung für die verschiedenen vorgegebenen und möglichen Anwendungen zu erhalten.According to the invention Condition fulfilled by the switching on and off of the rotating magnetic field and Although such that the shutdown of the induced Lorentz force in the maximum of the time course of the volume-averaged meridional Speed and shutdown in the following minimum and so on continues, where t * dimensionless can be specified to an execution-independent representation for the different predetermined and possible Get applications.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Further developments of the method are the subject of the dependent claims.

Zur Charakterisierung der azimutalen Strömung und der meridionalen Strömung werden deren über das Volumen V gemittelten Geschwindigkeiten Uθ und Urz mit:

Figure 00080001
als volumengemittelte azimutale Geschwindigkeit und
Figure 00090001
als volumengemittelte meridionale Geschwindigkeit mit dem Volumen V = πR2H verwendet, wobei der Zylinderbehälter den Radius R und die Höhe H aufweist.To characterize the azimuthal flow and the meridional flow, their velocities U θ and U rz , which are averaged over the volume V, are given by:
Figure 00080001
as volume average azimuthal velocity and
Figure 00090001
used as the volume-averaged meridional velocity with the volume V = πR 2 H, wherein the cylinder container has the radius R and the height H.

Mit der wahlweisen Vorgabe einer hohen magnetischen Taylor-Zahl Ta wird im quasilaminaren und nicht-linearen Stokesschen Strömungsbereich geblieben.With the optional specification of a high Taylor magnetic number T a is left in the quasi-laminar and non-linear Stokes flow range.

In dem Stokesschen Strömungsbereich wird dann vorzugsweise gearbeitet, wenn eine periodische Ein- und Abschaltung des rotierenden Magnetfeld durchgeführt wird.In the Stokes flow region is then preferably worked when a periodic input and Shutdown of the rotating magnetic field is performed.

Bei einem Zylinder mit einem Größenverhältnis von A ≠ 1 wird die Dauer des Zeitintervalls Δt/Δt* aus dem Verhältnis Δt* = t * / fm – t * / lam (dimensionslos) oder nicht dimensionslos mit Δt = tfm – tlam vorgegeben, wobei

Figure 00090002
ist.For a cylinder with a size ratio of A ≠ 1, the duration of the time interval Δt / Δt * is given from the ratio Δt * = t * / fm -t * / lam (dimensionless) or non-dimensionless with Δt = t fm -t lam , in which
Figure 00090002
is.

Die erfindungsgemäße Steuerungsgleichung zur periodischen Ein-/Abschaltung der Lorentz-Kraft FPRMF wird angegeben mit:

Figure 00090003
Figure 00100001
wobei k nur INTEGER (ganzzahlig nach unten abgerundet) sein kann, z. B. int(1.9) = 1, wobei
Figure 00100002
sowie J1 Bessel-Funktion erster Art und λk die Wurzel von J1(x) = 0 sind,
und wird zur Speicherung in die Rechnereinheit eingegeben.The control equation according to the invention for the periodic switching on / off of the Lorentz force F PRMF is given with:
Figure 00090003
Figure 00100001
where k can only be INTEGER (rounded integer down), e.g. B. int (1.9) = 1, where
Figure 00100002
and J 1 Bessel function of the first kind and λ k are the root of J 1 (x) = 0,
and is entered into the computer for storage.

In der Vorrichtung zum Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten in Behältern, in denen durch Rotation eines Magnetfeldes mittels sich zentralsymmetrisch gegenüberliegender und außerhalb der Behälter befindlicher Induktionsspulen eine azimutale Strömung und eine meridionale Strömung im quasi-Stokesschen Strömungsbereich innerhalb der leitenden Flüssigkeit erzeugt werden, ist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 7 eine Steuer-/Regeleinrichtung mit zumindest einer Unterbrechungs-Einrichtung und einer Rechnereinheit vorhanden, wobei die Unterbrechungs-Einrichtung zur Unterbrechung des rotierenden Magnetfeldes nach Errei chen des Maximums des Stokesschen Strömungsbereiches in einem Zeitintervall Δt/Δt* von Δt = tfm – tlam (dimensionsbehaftet) (Ia) oder Δt* = tfm* – tlam* (dimensionslos) (Ib)vorgesehen ist,
wobei tfm dem Zeitpunkt tEIN1 des Erreichens des ersten Minimums der volumengemittelten Geschwindigkeit der meridionalen Strömung nach dem Abschalten des Magnetfeldes, zu dem das Magnetfeld wieder eingeschaltet wird, entspricht,
und wobei tlam* dem Zeitpunkt tAUS1 des Erreichens des ersten Maximums der volumengemittelten Geschwindigkeit der meridionalen Strömung nach dem Einschalten des Magnetfeldes, zu dem das Magnetfeld erstmals abgeschaltet wird,
entspricht.
In the apparatus for stirring electrically conductive liquids in containers in which Ro tion of a magnetic field by means of centrally symmetrically opposed and located outside the container induction coils azimuthal flow and a meridional flow in the quasi-Stokes flow region are generated within the conductive liquid is according to the characterizing part of claim 7, a control / regulating device with at least one interruption device and a computer unit, the interruption means for interrupting the rotating magnetic field after reaching the maximum of the Stokes flow range in a time interval Δt / Δt * of Δt = t fm - t lam (dimensioned) (Ia) or Δt * = t fm * - t lam * (dimensionless) (Ib) is provided,
wherein t fm corresponds to the time t IN1 of reaching the first minimum of the volume average velocity of the meridional flow after switching off the magnetic field to which the magnetic field is turned on again,
and wherein t lam * the time t OFF1 of reaching the first maximum of the volume-average speed of the meridional flow after switching on the magnetic field at which the magnetic field is first turned off,
equivalent.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Further developments of the device are the subject of the dependent claims.

Der Behälter ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet und kann aus einem Zylindermantel sowie aus einem Boden und wahlweise aus einem Deckel bestehen.Of the container is preferably cylindrical and may consist of a cylinder jacket and consist of a bottom and optionally a lid.

Das Elektromagnetsystem kann mindestens drei Paare Induktionsspulen besitzen, wobei jeweils die Induktionsspulen eines Paares zentralsymmetrisch zur Mittelachse um den Behälter herum angeordnet sind.The Electromagnet system can have at least three pairs of induction coils each having the induction coils of a pair centrally symmetric to the central axis around the container are arranged around.

Die Induktionsspulenpaare sind in der Regel von dem Behältermantel durch einen Luftspalt getrennt angeordnet.The Induction coil pairs are usually of the container shell separated by an air gap.

Die Induktionsspulenpaare sind über Versorgungsleitungen mit der Steuer-/Regeleinrichtung verbunden.The Induction coil pairs are over Supply lines connected to the control / regulating device.

Die der Steuer-/Regeleinrichtung zugeordnete Unterbrechungs-Anordnung ist zur Durchführung des Schaltwechsels Δt/Δt* des elektrischen Stromes zur periodischen Änderung der Lorentz-Kraft FPRMF vorgesehen und enthält einen gesteuerten, den Wechsel von Einschalten und Ausschalten durchführenden Stromunterbrecher für die Induktionsspulenpaare, wobei die Unterbrechungs-Anordnung wahlweise mit elektronischen Bauelementen als Hardware und/oder mit programmtechnischen Mitteln als Software ausgebildet ist.The control unit associated with the interruption arrangement is provided for performing the switching change .DELTA.t / .DELTA.t * of the electric current for periodically changing the Lorentz force F PRMF and includes a controlled, the change of switching on and off performing power circuit breaker for the induction coil pairs the interruption arrangement is designed optionally with electronic components as hardware and / or with program-technical means as software.

Der Behälter kann mit dem Thermostaten in Verbindung stehen, der die Temperatur der Flüssigkeit entsprechend der Temperaturvorgabe konstant hält oder darauf einstellt.Of the container can be related to the thermostat, the temperature the liquid accordingly keeps the temperature preset constant or on it.

Die Erfindung eröffnet folgende Möglichkeiten:

  • – Eine Energieersparnis von etwa 50% bei gleicher Wirkung,
  • – eine Erhöhung des relativen Verhältnisses von meridionaler zu azimutaler kinetischer Energie,
  • – eine Verringerung des Turbulenzgrades, insbesondere für Verfahren zur Kristallzüchtung,
  • – das Rührverfahren ist für chemische Reaktionen vorgesehen, wenn eine „unveränderliche" Grenze zwischen zwei reagierenden Flüssigkeiten bei hoher Fließgeschwindigkeit zu erreichen ist und
  • – eine Erzeugung regelmäßiger Temperaturschwankungen in der Gießereitechnik, z.B. zum Schmelzen und Erstarren an der Erstarrungsfront, wobei das globulitische Dendritenwachstum frühzeitiger einsetzen soll.
The invention opens up the following possibilities:
  • - an energy saving of about 50% for the same effect,
  • An increase in the relative ratio of meridional to azimuthal kinetic energy,
  • A reduction in the degree of turbulence, in particular for methods of crystal growth,
  • - The stirring method is intended for chemical reactions, if an "immutable" boundary between two reacting liquids can be achieved at high flow rates, and
  • - A generation of regular temperature fluctuations in the foundry technology, for example, for melting and solidification on the solidification front, the globulitic dendrite growth should begin earlier.

Dadurch kann die Erfindung insbesondere in folgenden Anwendungsbereichen eingesetzt werden:

  • – In der Metallurgie, insbesondere zum Rühren von Metallen, beispielsweise zur Verbesserung des Überganges von kolumnaren zu globulitischen Dendriten,
  • – bei Verfahren der Kristallzüchtung, insbesondere zur Verringerung von Kristalldefekten durch Reduzierung des Turbulenzgrades und
  • – in der chemischen Industrie, insbesondere zur Beseitigung von Instabilitäten zwischen zwei reagierenden chemischen Flüssigkeiten.
As a result, the invention can be used in particular in the following fields of application:
  • In metallurgy, in particular for stirring metals, for example to improve the transition from columnar to globulitic dendrites,
  • In crystal growing processes, in particular for reducing crystal defects by reducing the degree of turbulence and
  • - in the chemical industry, in particular to eliminate instabilities between two reacting chemical liquids.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert: Es zeigen:The Invention is based on an embodiment closer by means of several drawings explains: It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Rühren von flüssigem Metall in einem geschlossenen zylindrischen Behälter in Draufsicht, 1 a schematic representation of the device according to the invention for stirring liquid metal in a closed cylindrical container in plan view,

2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Rühren von flüssigem Metall in einem geschlossenen zylindrischen Behälter in Seitenansicht nach 1, 2 a schematic representation of the apparatus for stirring liquid metal in a closed cylindrical container in side view 1 .

3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Rühren von flüssigem Metall in einem offenen zylindrischen Behälter in Seitenansicht nach 1, 3 a schematic representation of the apparatus for stirring liquid metal in an open cylindrical container in side view 1 .

4 eine Darstellung des Verhältnisses von meridionaler zu azimutaler Strömungsgeschwindigkeit als Funktion der Zeit für einen endlichen geschlossenen Zylinder mit dem Radius 25mm und einer Höhe von 50mm, bei einer Wechselstromfrequenz von 50Hz, 4 a representation of the ratio of meridional to azimuthal flow velocity as a function of time for a finite closed cylinder with the radius 25mm and a height of 50mm, at an AC frequency of 50Hz,

5 eine Darstellung des Verhältnisses von meridionaler zu azimutaler Strömungsgeschwindigkeit als eine Funktion der Taylor-Zahl Ta:

  • a) bei geschlossenem Zylinder,
  • b) bei offenem Zylinder,
5 a representation of the ratio of meridional to azimuthal flow velocity as a function of the Taylor number Ta:
  • a) with the cylinder closed,
  • b) with the cylinder open,

6 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der dimensionslosen meridionalen volumengemittelten Geschwindigkeiten mit der einmaligen Ausschaltung der Lorentz-Kraft nach t* = t*lam = 4.5 und ohne Ausschaltung der Lorentz-Kraft für geschlossene Zylinder mit einem Radius von 25mm und einer Höhe von 50mm, bei einer Wechselstromfrequenz von 50Hz, wobei das Verhältnis der Pole p = 1 und die magnetische Induktion B gleich 1mT (Ta = 3·105) betragen, 6 a representation of the time course of the dimensionless meridional volume-averaged velocities with the single elimination of the Lorentz force after t * = t * lam = 4.5 and without elimination of the Lorentz force for closed cylinders with a radius of 25mm and a height of 50mm, at a AC frequency of 50 Hz, wherein the ratio of the poles p = 1 and the magnetic induction B equal to 1mT (Ta = 3 × 10 5 ),

7 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der meridionalen Strömung während des Einschaltens in der Spin-up-Phase und des Ausschaltens in der Spin-down-Phase

  • a – laminare Stokessche Strömung mit t*lam = 4,5;
  • b – nicht-lineare Strömung, Spin-up t*fm = 6,3;
  • c – Spin-down ab t* = 6.3 mit einer Ausschaltung der Lorentz-Kraft nach t* = t*lam,
7 a representation of the time course of the meridional flow during the turn-on in the spin-up phase and the turn-off in the spin-down phase
  • a - laminar Stokes flow with t * lam = 4,5;
  • b - non-linear flow, spin-up t * fm = 6.3;
  • c - Spin-down from t * = 6.3 with elimination of the Lorentz force after t * = t * lam ,

8 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Verhältnisses der oszillierenden Lorentz-Kraft FPRMF zur permanenten Lorentz-Kraft FRMF durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Ein- und Abschaltfunktion, 8th a representation of the time course of the ratio of the oscillating Lorentz force F PRMF to the permanent Lorentz force F RMF through the use of the on and off function according to the invention,

9 eine Darstellung der räumlichen Verteilung der Lorentz-Kraft in einem Zylinder mit einem Radius von 25mm und einer Höhe von 50mm bei einer magnetische Induktion von 1mT und Frequenz νB = 50Hz, 9 a representation of the spatial distribution of the Lorentz force in a cylinder with a radius of 25mm and a height of 50mm at a magnetic induction of 1mT and frequency ν B = 50Hz,

10 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der volumengemittelten azimutalen (10a) und meridionalen (10b) Geschwindigkeiten in Abhängigkeit von jeweils der permanenten Lorentz-Kraft und der oszillierenden Lorentz-Kraft in einem geschlossenen Zylinder, 10 a representation of the time course of the volume-averaged azimuthal ( 10a ) and meridional ( 10b ) Velocities in each case depending on the permanent Lorentz force and the oscillating Lorentz force in a closed cylinder,

11 eine Darstellung des Verhältnisses von meridionaler zu azimutaler Strömungsgeschwindigkeit als eine Funktion der Zeit für einen geschlossenen endlichen Zylinder mit einem Radius von 25mm und einer Höhe von 50mm bei einer Wechselstromfrequenz von 50Hz, eines Polverhältnis p von 1, einer magnetischen Induktion von 1mT bei der Taylor-Zahl von (Ta = 3·105) und

  • a – in dem erfindungsgemäßen Zeitintervall Δt* = 1.8,
  • b – in verschiedenen Zeitintervallen Δt* ≠ 1.8 und dem erfindungsgemäßen Zeitintervall Δt* = 1.8 zum Vergleich,
11 a plot of the ratio of meridional to azimuthal flow velocity as a function of time for a closed finite cylinder with a radius of 25mm and a height of 50mm at an AC frequency of 50Hz, a pole ratio p of 1, a magnetic induction of 1mT at the Taylor Number of (Ta = 3 · 10 5 ) and
  • a - in the time interval Δt * = 1.8 according to the invention,
  • b - in different time intervals Δt * ≠ 1.8 and the time interval Δt * = 1.8 according to the invention for comparison,

12 eine Darstellung des meridionalen Geschwindigkeitsfeldes zu verschiedenen Zeiten bei konstanter Lorentz-Kraft FL, 12 a representation of the meridional velocity field at different times at constant Lorentz force F L ,

13 eine Darstellung des meridionalen Geschwindigkeitsfeldes zu verschiedenen Zeiten bei einer oszillierenden Lorentz-Kraft FPRMF (mit Index PRMF: oszillierendem rotierendem magnetischem Feld), 13 a representation of the meridional velocity field at different times with an oscillating Lorentz force F PRMF (with index PRMF: oscillating rotating magnetic field),

14 eine Darstellung des Konzentrationsmusters von flüssigem Zinn (Masse %) zu verschiedenen Zeiten bei konstanter Lorentz-Kraft FL, 14 a representation of the concentration pattern of liquid tin (mass%) at different times at constant Lorentz force F L ,

15 eine Darstellung des Konzentrationsmusters von flüssigem Zinn (Masse %) zu verschiedenen Zeiten bei oszillierender Lorentz-Kraft FPRMF und 15 a representation of the concentration pattern of liquid tin (mass%) at different times with oscillating Lorentz force F PRMF and

16 eine Darstellung der zeitlichen Verläufe der Temperatur T an verschiedenen Punkten z der Mittelachse der flüssigen Metallsäule bei einer Kühlung von unten vorzugsweise mittels eines Thermostats. 16 a representation of the time courses of the temperature T at different points z of the central axis of the liquid metal column in a cooling from below, preferably by means of a thermostat.

Im Folgenden werden die 1, 2 und 6 gemeinsam betrachtet. In dem Verfahren zum Rühren einer leitenden Flüssigkeit, z.B. flüssigem Zinn 2, in einem Behälter 3, in dem durch Rotation eines Magnetfeldes mittels sich zentralsymmetrisch gegenüberliegender und außerhalb der Behälter 3 befindlicher Induktionsspulen 11, 12, 13 eine azimutale Strömung 22 und eine meridionale Strömung 23 Strömung im quasi-Stokesschen Strömungsbereich innerhalb der leitenden Flüssigkeit 2 erzeugt werden, werden erfindungsgemäß nach Erreichen des Maximums des Stokesschen Strömungsbereiches das rotierende Magnetfeld einem Wechsel von Einschalten und Ausschalten in einem Zeitintervall Δt/Δt* von Δt = tfm – tlam (dimensionsbehaftet) (Ia) oder Δt* = tfm* – tlam* (dimensionslos) (Ib)und die Flüssigkeit 2 einer oszillierenden Lorentz-Kraft FPRMF unterworfen,
wobei tfm, wie in 6 gezeigt ist, dem Zeitpunkt tEIN1 des Erreichens des ersten Minimums der volumengemittelten Geschwindigkeit Urzmin1 der meridionalen Strömung 23 nach dem Abschalten des Magnetfeldes, zu dem das Magnetfeld wieder eingeschaltet wird, und
wobei tlam dem Zeitpunkt tAUS1 des Erreichens des ersten Maximums der volumengemittelten Geschwindigkeit Urzmax1 der meridionalen Strömung 23 nach dem Einschalten des Magnetfeldes, zu dem das Magnetfeld erstmals abgeschaltet wird,
entsprechen.
The following are the 1 . 2 and 6 considered together. In the method for stirring a conductive liquid, eg, liquid tin 2 in a container 3 in which by rotation of a magnetic field by means of centrally symmetrically opposite and outside the container 3 located induction coils 11 . 12 . 13 an azimuthal flow 22 and a meridional flow 23 Flow in the quasi-Stokes flow area within the conductive fluid 2 are generated, according to the invention, after reaching the maximum of the Stokes flow range, the rotating magnetic field a change of switching on and off in a time interval .DELTA.t / .DELTA.t * of Δt = t fm - t lam (dimensioned) (Ia) or Δt * = t fm * - t lam * (dimensionless) (Ib) and the liquid 2 subjected to an oscillating Lorentz force F PRMF ,
where t fm , as in 6 the time t IN1 of reaching the first minimum of the volume average velocity U rzmin1 of the meridional flow is shown 23 after switching off the magnetic field to which the magnetic field is turned on again, and
where t lam the time t OFF1 of reaching the first maximum of the volume- average velocity U rzmax1 of the meridional flow 23 after switching on the magnetic field to which the magnetic field is switched off for the first time,
correspond.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zum Rühren einer leitenden Flüssigkeit 2, z.B. flüssiges Zinn in einem Behälter 3 gezeigt. Die Vorrichtung 1 weist im Wesentlichen den geschlossenen zylindrischen Behälter 3, der in 1 in Draufsicht und in 2 als halber Längsschnitt mit den r,z-Koordinaten im Wesentlichen mit r = 0 bis r = R dargestellt ist, sowie ein Elektromagnetsystem 4 zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes (RMF: Rotierendes magnetisches Feld) sowie eine Steuer-/Regeleinrichtung 5 mit zumindest einer Unterbrechungseinrichtung 6 und einer Rechnereinheit 7 auf.In 1 is a schematic representation of a device 1 for stirring a conductive liquid 2 , eg liquid tin in a container 3 shown. The device 1 essentially indicates the closed cylindrical container 3 who in 1 in plan view and in 2 is shown as a half longitudinal section with the r, z coordinates substantially at r = 0 to r = R, and an electromagnetic system 4 for generating a rotating magnetic field (RMF: rotating magnetic field) and a control / regulating device 5 with at least one interruption device 6 and a computer unit 7 on.

Im Detail stellt der Behälter 3 einen geschlossenen Zylinderbehälter dar, der aus einem Zylindermantel 8 sowie aus einem Boden 9 und einem Deckel 10 besteht.In detail, the container represents 3 a closed cylinder container which consists of a cylinder jacket 8th as well as from a soil 9 and a lid 10 consists.

Das Elektromagnetsystem 4 besitzt drei Paare 11, 12, 13 von Induktionsspulen, wobei jeweils die Induktionsspulen eines Paares zentralsymmetrisch zur Mittelachse 14 um den Behälter 3 herum angeordnet sind. In dem Behälter 3 befindet sich die leitende Flüssigkeit 2. Die Induktionsspulenpaare 11, 12, 13 sind von dem Behältermantel 8 durch einen Luftspalt 15 getrennt angeordnet. Der Behälter 3 kann auf einem Gestell 25 stehen und/oder mit einem Thermostat 24 verbunden sein. Die Induktionsspulenpaare 11, 12, 13 sind über Versorgungsleitungen 16, 17, 18, 19, 20, 21 mit der Steuer-/Regeleinrichtung 5 verbunden, die die Rechnereinheit 7 zur Steuerung/Regelung des oszillierenden rotierenden Magnetfeldes enthält. Als Oszillation des rotierenden Magnetfeldes wird der sich wiederholende Schaltwechsel zwischen Einschalten und Ausschalten des rotierenden Magnetfeldes definiert.The electromagnetic system 4 has three pairs 11 . 12 . 13 of induction coils, wherein each of the induction coils of a pair is centrally symmetric to the central axis 14 around the container 3 are arranged around. In the container 3 is the conductive liquid 2 , The induction coil pairs 11 . 12 . 13 are from the container jacket 8th through an air gap 15 arranged separately. The container 3 can on a frame 25 stand and / or with a thermostat 24 be connected. The induction coil pairs 11 . 12 . 13 are via supply lines 16 . 17 . 18 . 19 . 20 . 21 with the control device 5 connected to the computer unit 7 for controlling the oscillating rotating magnetic field. As oscillation of the rotating magnetic field, the repetitive switching change between switching on and off of the rotating magnetic field is defined.

In der Steuer-/Regeleinrichtung 5 ist zumindest eine Rechner- und Auswerteeinheit 7 als ein Computer sowie eine Unterbrechungs-Anordnung 6 zur Durchführung des Schaltwechsels Δt/Δt* des elektrischen Stromes zum periodischen Wechsel der Lorentz-Kraft FPRMF enthalten. Die Unterbrechungs-Anordnung 6 kann einen gesteuerten, den Wechsel von Einschalten und Ausschalten durchführenden Stromunterbrecher für die Induktionsspulenpaare 11, 12, 13 enthalten. Die Unterbrechungs-Anordnung 6 kann mit elektronischen Bauelementen, z.B. mit Zeitmessern und Torschaltungen als Hardware und/oder mit programmtechnischen Mitteln als Software realisiert sein.In the control unit 5 is at least a computer and evaluation unit 7 as a computer as well as an interruption arrangement 6 to perform the switching change .DELTA.t / .DELTA.t * of the electric current for periodically changing the Lorentz force F PRMF included. The interruption arrangement 6 can provide a controlled circuit breaker for the pairs of inductors performing the changeover from on and off 11 . 12 . 13 contain. The interruption arrangement 6 can be realized with electronic components, such as timers and gates as hardware and / or programmatic means as software.

In den 2, 3 sind in schematischen Darstellungen in Seitenansicht der Behälter 3 die in Funktion der Vorrichtung 1 auftretenden wesentlichen Strömungen: Die azimutale Strömung 22 und die meridionale Strömung 23 gezeigt. In 3 ist ähnlich der 2 eine Seitenansicht eines deckelfreien offenen Behälters gezeigt.In the 2 . 3 are schematic representations in side view of the container 3 in function of the device 1 occurring essential flows: the azimuthal flow 22 and the meridional flow 23 shown. In 3 is similar to that 2 a side view of a lid-free open container shown.

Der Behälter 3 kann mit dem Thermostaten 24 in Verbindung stehen, der z.B. die Temperatur der Flüssigkeit 2 entsprechend der Temperaturvorgabe konstant hält.The container 3 can with the thermostat 24 related, for example, the temperature of the liquid 2 keeps constant according to the temperature specification.

Die Wände des zylindrischen Behälters 3 können als dünne Wände, deren Leitfähigkeit mit jener des flüssigen Metalls 2 identisch ist, ausgebildet sein. Der Deckel 10 und der Boden 9 des zylindrischen Behälters 3 sind elektrisch isoliert.The walls of the cylindrical container 3 can be considered thin walls whose conductivity is equal to that of the liquid metal 2 is identical, be formed. The lid 10 and the ground 9 of the cylindrical container 3 are electrically isolated.

In 4 ist eine Darstellung des Verhältnisses von meridionaler zu azimutaler Strömungsgeschwindigkeit als eine Funktion der Zeit für einen endlichen geschlossenen Zylinder 3 mit dem Radius 25mm und einer Höhe von 50mm bei einer Wechselstromfrequenz von 50Hz in Abhängigkeit der steigenden Taylor-Zahl gezeigt.In 4 Figure 12 is a plot of the ratio of meridional to azimuthal flow velocity as a function of time for a finite closed cylinder 3 with the radius 25mm and a height of 50mm at an AC frequency of 50Hz depending on the increasing Taylor number shown.

Nach dem Einschalten des rotierenden Magnetfeldes ist die axialsymmetrische Beschleunigung des von dem rotierenden Magnetfeld getriebenen Metallschmelzflusses vorgesehen. Während der Beschleunigung (Spin-up) weist die meridionale Strömung 23 unterschiedliche innere Strukturen auf. Nach Erreichen der vorgesehenen maximalen Drehzahl liegt die kinetische Energie der meridionalen Strömung 23 bei der Taylor-Zahl Ta > 105 bei 10% der azimutalen Strömung, wie in 4 gezeigt ist. Aber während der ersten Phase des Spin-up im laminaren Bereich liegt das Verhältnis für alle magnetischen Taylor-Zahlen bei 25%, wie in 4 gezeigt ist. Zur Charakterisierung der azimutalen Strömung 22 und der meridionalen Strömung 23 werden die volumengemittelten Geschwindigkeiten Uθ und Urz mit:

Figure 00190001
als volumengemittelte azimutale Geschwindigkeit und
Figure 00190002
als volumengemittelte meridionale Geschwindigkeit für den Zylinderbehälter 3 verwendet.After switching on the rotating magnetic field, the axisymmetric acceleration of the driven by the rotating magnetic field molten metal flow is provided. During acceleration (spin-up), the meridional flow indicates 23 different internal structures. After reaching the intended maximum speed is the kinetic energy of the meridional flow 23 at the Taylor number Ta> 10 5 at 10% of the azimuthal flow, as in 4 is shown. But during the first phase of the laminar spin-up, the ratio for all Taylor magnetic numbers is 25%, as in 4 is shown. To characterize the azimuthal flow 22 and the meridional flow 23 are the volume-averaged velocities U θ and U rz with:
Figure 00190001
as volume average azimuthal velocity and
Figure 00190002
as volume average meridional velocity for the cylinder vessel 3 used.

Als Ergänzung zeigt 5, dass abhängig von der magnetischen Taylor-Zahl Ta das Verhältnis zwischen den meridionalen und den azimutalen Strömungsstärken der Flüssigkeit 2 sein Maximum in der Stokesschen Strömung hat. In 5 ist das Verhältnis von meridionaler zu azimutaler Strömungsgeschwindigkeit als eine Funktion der Taylor-Zahl Ta: In 5a bei geschlossenem Zylinder und in 5b bei offenem Zylinder, gezeigt.As a supplement shows 5 in that, depending on the magnetic Taylor number T a, the ratio between the meridional and the azimuthal flow strengths of the liquid 2 has its maximum in Stokes' flow. In 5 is the ratio of meridional to azimuthal flow velocity as a function of the Taylor number Ta: In 5a with closed cylinder and in 5b with the cylinder open, shown.

Der Stokessche Strömungsbereich ist ein Teil des quasi-Stokesschen Strömungsbereiches und weist hauptsächlich laminare Strömungsverhältnisse auf. Erfindungsgemäß kann im quasi-Stokesschen Strömungsbereich gearbeitet werden, wenn eine periodische Ab-/und Einschaltung des rotierenden Magnetfeldes nach Erreichen des Maximums des Stokesschen Strömungsbereiches durchgeführt wird.Of the Stokes flow range is part of the quasi-Stokesschen flow area and mainly points laminar flow conditions on. According to the invention can in quasi-Stokes flow regime be worked when a periodic disconnection and / or activation of the rotating magnetic field after reaching the maximum of Stokesschen flow area carried out becomes.

In 6 sind der zeitliche Verlauf der dimensionslosen meridionalen volumengemittelten Geschwindigkeiten mit der einmaligen Ausschaltung der Lorentz-Kraft (gestrichelt) nach dem ersten Maximum der Urz im Zeitpunkt t* = t * / lam = 4.5 und ohne Ausschaltung des rotierenden Magnetfeldes (nicht gestrichelt) für geschlossene Zylinder mit einem Radius von 25mm und einer Höhe von 50mm, bei einer Wechselstromfrequenz beträgt 50Hz, wobei das Verhältnis der Pole p = 1 und die magnetische Induktion B gleich 1mT (Ta = 3·105) betragen, dargestellt. Die 6 zeigt folgendes Ergebnis: Ausgehend vom Standpunkt des Energiesparens, wobei sich die Geschwindigkeiten Urz(t) mit der Lorentz-Kraft sowie ohne Lorentz-Kraft im Zeitpunkt t* = t * / fm nur um 15% unterscheiden, ist der erfindungsgemäße Zeitpunkt zur Abschaltung des rotierenden Magnetfeldes der Zeitpunkt bei

Figure 00210001
In diesem Zeitpunkt tAUS1 ist die laminare Stokessche Strömung bei der Geschwindigkeit Urzmax1 maximal entwickelt.In 6 are the time course of the dimensionless meridional volume-averaged velocities with the single elimination of the Lorentz force (dashed) after the first maximum of U rz at time t * = t * / lam = 4.5 and without elimination of the rotating magnetic field (not dashed) for closed Cylinder with a radius of 25mm and a height of 50mm, at an AC frequency is 50Hz, with the ratio of the poles p = 1 and the magnetic induction B equal to 1mT (Ta = 3 x 10 5 ). The 6 shows the following result: Starting from the point of view of energy saving, wherein the speeds U rz (t) with the Lorentz force and without Lorentz force at time t * = t * / fm differ only by 15%, is the time for switching off according to the invention of the rotating magnetic field at the time
Figure 00210001
At this time t AUS1 , the laminar Stokes flow is maximally developed at the velocity U rzmax1 .

Ausgehend von demselben Standpunkt ist der erfindungsgemäße Zeitpunkt zur Wieder-Einschaltung des Magnetfeldes der Zeitpunkt t * / fm = 6.3, der dem ersten Minimum Urzmin1 im Verlauf der volumengemittelten meridionalen Geschwindigkeit Urz entspricht. Der nächste Schaltwechsel mit der Wieder-Abschaltung ist nach Δt* = t * / fm – t * / lam = 1.8 ± 1% bei tAUS2 = 8.2 usw.Starting from the same point of view, the point in time for re-engagement of the magnetic field according to the invention is the instant t * / fm = 6.3, which corresponds to the first minimum U rzmin1 in the course of the volume- averaged meridional velocity U rz . The next switching change with the switch-off again is after Δt * = t * / fm - t * / lam = 1.8 ± 1% at t AUS2 = 8.2 etc.

In den 7 sind Darstellungen des zeitlichen Verlaufs der meridionalen Strömung während des Einschaltens in der Spin-up-Phase und des Ausschaltens in der Spin-down-Phase mit
7a – die laminare Stokessche Strömung bei t*lam = 4,5;
7b – die nicht-lineare Strömung, mit Spin-up bei t*fm = 6,3 und
7c – der Spin-down ab t* = 6.3 mit einer Ausschaltung der Lorentz-Kraft nach t* = t*lam – gezeigt.
In the 7 are representations of the time course of the meridional flow during the turn-on in the spin-up phase and the turn-off in the spin-down phase with
7a The laminar Stokes flow at t * lam = 4.5;
7b - the non-linear flow, with spin-up at t * fm = 6.3 and
7c - the spin-down from t * = 6.3 with an elimination of the Lorentz force after t * = t * lam - shown.

Die Struktur der meridionalen Strömung 23 entsprechend dem ersten Maximum und den ersten Minima von Urz zu den Zeitpunkten t*lam sowie t*fm, die auf die 6 bezogen sind, wird in 7a und in 7b gezeigt. In 7c wird die Struktur der meridionalen Strömung 23 entsprechend dem Zeitpunkt t* = t*fm gezeigt. In diesem Fall ist die Lorentz-Kraft nach t = tlam ausgeschaltet.The structure of the meridional flow 23 corresponding to the first maximum and the first minima of U rz at the times t * lam and t * fm , which are based on the 6 are referred to in 7a and in 7b shown. In 7c becomes the structure of the meridional flow 23 shown according to the time t * = t * fm . In this case, the Lorentz force is switched off after t = t lam .

Das bedeutet, dass die 7a eine meridionale Strömungsstruktur bei der Geschwindigkeit (Urzlam/Uref)max zum Zeitpunkt tAUS1 bei tlam darstellt. Die 7b zeigt die meridionale Strömungsstruktur bei der Geschwindigkeit (Urz/Uref)1 zum Zeitpunkt tEIN1 mit permanenter Lorentz-Kraft und 7c stellt die meridionale Strömungsstruktur bei der Geschwindigkeit (Urz/Uref)2 zum selben Zeitpunkt tEIN1 nach Ausschaltung der Lorentz-Kraft dar.That means the 7a represents a meridional flow structure at velocity (U rzlam / U ref ) max at time t AUS1 at t lam . The 7b shows the meridional flow structure at speed (U rz / U ref ) 1 at time t EIN1 with permanent Lorentz force and 7c represents the meridional flow structure at the velocity (U rz / U ref ) 2 at the same time t IN1 after elimination of the Lorentz force.

In 8 ist der zeitliche Verlauf des Verhältnisses der oszillierenden Lorentz-Kraft FPRMF zur permanenten Lorentz-Kraft FRMF durch den Einsatz der nachfolgenden erfindungsgemäßen Ein- und Abschaltfunktion (IV) gezeigt. Die erste Unterbrechung (erstes Abschalten) des Magnetfeldes erfolgt zum Zeitpunkt tAUS1 bei Erreichen des Maximums des Stokesschen Strömungsbereiches. Die Wieder-Einschaltung erfolgt zum Zeitpunkt tEIN1, dann wieder ein Wieder-Ausschalten zum Zeitpunkt tAUS2. Die Unterbrechung des Magnetfeldes und somit der Lorentz-Kraft dauert eine Pause von z.B. Δt* = 1.8 lang. Dabei gilt die Zahl 1.8 nur für geschlossene Zylinder 3 mit Größenverhältnis

Figure 00220001
Auch bei einem Zylinder ohne Deckel, wie in 3 gezeigt ist, oder mit einem Größenverhältnis mit A ≠ 1 wird die Dauer des Zeitintervalls Δt* aus dem Verhältnis Δt* = t * / fm – t * / lam (dimensionslos) oder mit Δt = tfm – tlam (in Sekunden) vorgegeben.In 8th is the time course of the ratio of the oscillating Lorentz force F PRMF to the permanent Lorentz force F RMF by the use of the following inventive turn-on and turn-off (IV) shown. The first interruption (first switch off) of the magnetic field takes place at the time t OUT1 when the maximum of the Stokes flow range is reached. The reconnection takes place at the time t ON1 , then again on-off at the time t OFF2 . The interruption of the magnetic field and thus the Lorentz force takes a break of eg Δt * = 1.8 long. The number 1.8 only applies to closed cylinders 3 with size ratio
Figure 00220001
Even with a cylinder without cover, as in 3 is shown, or with a size ratio with A ≠ 1, the duration of the time interval .DELTA.t * from the ratio .DELTA.t * = t * / fm - t * / lam (dimensionless) or with .DELTA.t = t fm - t lam (in seconds) ,

Aufgrund der oben dargelegten Verfahrensschritte und des Verlaufs des Quotienten der permanenten und der oszillierenden Lorentz-Kräfte in 8 ergibt sich eine Steuerungsgleichung, die in die Rechnereinheit 7 gespeichert wird, mit

Figure 00220002
für die periodischen Ein-/Abschaltung der Lorentz-Kraft FPRMF,
mit
Figure 00230001
k kann nur INTEGER (ganzzahlig nach unten abgerundet) sein, z.B. int(1.9) = 1, wobei die Lorentz-Kraft FL gleich:
Figure 00230002
sowie J1 Bessel-Funktion erster Art und λk die Wurzel von J1(x) = 0 sind.Due to the process steps set out above and the course of the quotient of the permanent and the oscillating Lorentz forces in 8th This results in a control equation that is in the computer unit 7 is saved with
Figure 00220002
for the periodic activation / deactivation of the Lorentz force F PRMF ,
With
Figure 00230001
k can only be INTEGER (rounded integer down), eg int (1.9) = 1, where the Lorentz force F L is equal to:
Figure 00230002
and J 1 Bessel function of the first kind and λ k are the root of J 1 (x) = 0.

Die Analyse von 8 ergibt, dass bei oszillierendem rotierendem Magnetfeld 50% Energie gespart wird.The analysis of 8th shows that with oscillating rotating magnetic field 50% energy is saved.

Die räumliche Gestalt der Lorentz-Kraft FPRMF für die gewählte zylindrische Geometrie des Behälters 3 ist in 9 dargestellt.The spatial shape of the Lorentz force F PRMF for the selected cylindrical geometry of the container 3 is in 9 shown.

Im Folgenden wird ein Vergleich der von einem permanent rotierenden Magnetfeld und von einem oszillierend-rotierenden Magnetfeld erzeugten Strömungen durchgeführt:
Der Vergleich der integralen Eigenschaften von Wirbelströmungen, wie sie von beiden Arten – vom permanent rotierenden Magnetfeld und vom oszillierend-rotierenden Magnetfeld – erzeugt werden, wird in 10 dargestellt.
In the following, a comparison of the currents generated by a permanently rotating magnetic field and by an oscillating-rotating magnetic field is carried out:
The comparison of the integral properties of vortex flows, as generated by both types - the permanently rotating magnetic field and the oscillating - rotating magnetic field - is described in 10 shown.

Die Erfindung ermöglicht es, dass beide voneinander getrennte Rührvorgänge mit flüssigem Metall 2, z.B. flüssigem Zinn, Folgendes ergeben, wobei die Eingangsgrößen den folgenden dimensionslosen Parametern: Ha = 0.71, Reω = 6.105, ω = 0.8, Ta = 3·105 entsprechen. Daraus ist ersichtlich, dass das Verhältnis von durchschnittlichen Zeitwerten bei azimutalen Geschwindigkeiten bei Durchschnittsvolumen 0,5 beträgt, als Folge eines Energiespareffektes von 50%. Doch gleichzeitig liegt das Verhältnis der meridionalen und azimutalen Strömungsgeschwindigkeiten bei 0,9. Außerdem wurde das Verhältnis der meridionalen und azimutalen Strömungsgeschwindigkeit verbessert. Es liegt bei 15%, verglichen mit vorherigen 11%, wie in 11 gezeigt ist.The invention enables both separate liquid metal stirring operations 2 , eg, liquid tin, the following gives the following parameters: Ha = 0.71, Re ω = 6.10 5 , ω = 0.8, Ta = 3 × 10 5 . It can be seen that the ratio of average time values at azimuthal velocities is 0.5 for average volume, as a consequence of an energy saving effect of 50%. But at the same time, the ratio of meridional and azimuthal flow velocities is 0.9. In addition, the ratio of meridional and azimuthal flow velocity has been improved. It is 15%, compared to the previous 11%, as in 11 is shown.

Insbesondere wird in 11b gezeigt, dass bei Unterbrechungen (Zeitintervallen Δt*/Δt), die kleiner oder größer als die erfindungsgemäße Unterbrechung (hier beispielsweise Δt* = 1.8) sind, keine höheren Verhältnisse zwischen den meridionalen und azimutalen Geschwindigkeiten Urz/UΘ gemessen werden können. Nur bei Einhaltung der ermittelten Unterbrechung Δt*/Δt bei den zugehörigen Schaltwechseln wird eine Erhöhung der kinetischen Energie der meridionalen Strömung zu Lasten der azimutalen Strömung erreicht und auch eine Energieeinsparung erzielt.In particular, in 11b shown that at interrupts (time intervals .DELTA.t * / .DELTA.t), which are smaller or larger than the interruption of the invention (here, for example, .DELTA.t * = 1.8), no higher ratios between the meridional and azimuthal velocities U rz / U Θ can be measured. Only if the determined interruption .DELTA.t * / .DELTA.t in the associated switching changes is maintained is an increase in the kinetic energy of the meridional flow at the expense of the azimuthal flow achieved, and also an energy saving achieved.

Der wichtigste Vorteil der Steuerungs-Gleichung (IV) ist die Verringerung der Turbulenzen, wie in den 12 und 13 gezeigt ist. Die 12 zeigt eine Darstellung des meridiona len Geschwindigkeitsfeldes zu verschiedenen Zeiten (50 sec, 150 sec und 280 sec) bei konstanter Lorentz-Kraft FL bei permanent rotierendem Magnetfeld mit der Ausbildung von zylindermantelseitigen Wirbelbildungen. Dagegen sind in 13 Darstellungen des meridionalen Geschwindigkeitsfelde zu vergleichsweise gleichen Zeiten bei einer oszillierenden Lorentz-Kraft FPRMF gezeigt, wobei bei 50 sec eine laminare Stokessche Strömung vorliegt. Bei den Strukturen zu den Zeitpunkten 150 sec und 280 sec liegt eine quasi-Stokessche Strömung vor, die im Vergleich zu den analogen Strukturen in 12 alle wesentlich weniger Turbulenzen aufweisen.The most important advantage of the control equation (IV) is the reduction of turbulence, as in the 12 and 13 is shown. The 12 shows a representation of the meridiona len velocity field at different times (50 sec, 150 sec and 280 sec) at a constant Lorentz force F L at permanently rotating magnetic field with the formation of cylinder shell side vortex formations. In contrast, in 13 Representations of the meridional velocity field at comparatively equal times with an oscillating Lorentz force F PRMF shown, wherein at 50 sec a laminar Stokes flow is present. In the structures at the times 150 sec and 280 sec, there is a quasi-Stokes flow, which in comparison to the analogous structures in 12 all have significantly less turbulence.

Gerade diese Verringerung der Turbulenzen ist bei der Kristallzüchtung erwünscht.Just This reduction in turbulence is desirable in crystal growth.

Außerdem eignet sich das erfindungsgemäße Rührverfahren für die chemische Industrie, wenn eine unveränderliche Grenze zwischen zwei reagierenden Flüssigkeiten, z.B. Elektrolyten bei hoher Geschwindigkeit von großer Wichtigkeit ist, wie in den 14, 15 gezeigt ist. In der 14 ein Konzentrationsmuster von flüssigem Zinn (Masse %) zu verschiedenen Zeiten (0 sec und 300 sec) bei konstanter Lorentz-Kraft FL und in 15 ein Konzentrationsmuster von flüssigem Zinn (Masse %) nur zur Zeit bei 300 sec bei oszillierender Lorentz-Kraft FPRMP dargestellt. Das Ergebnis zeigt, dass bei oszillierender Lorentz-Kraft FPRMF in 15 kaum eine Wirbelausbildung vorhanden ist.Moreover, the stirring method according to the invention is suitable for the chemical industry, when an immutable boundary between two reacting liquids, for example electrolytes at high speed, is of great importance, as in US Pat 14 . 15 is shown. In the 14 a concentration pattern of liquid tin (mass%) at different times (0 sec and 300 sec) at constant Lorentz force F L and in 15 a concentration pattern of liquid tin (mass%) only for 300 seconds at oscillating Lorentz force F PRMP shown. The result shows that with oscillating Lorentz force F PRMF in 15 hardly a vertebra education exists.

Ein anderes Beispiel für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung besteht in der Erzeugung regelmäßiger Temperaturschwankungen. Die Temperaturschwankungen können zum Schmelzen und Erstarren der Erstarrungsfront führen, was ein zeitigeres Einsetzen des Übergangs von kolumnaren zu globulitischen Dendritenwachstum bewirken kann, was vielfach das Ziel des Einsatzes des oszillierend-rotierenden Magnetfeldes in der Gießereitechnik sein wird.One another example of the application of the method according to the invention and the device is to generate regular temperature fluctuations. The temperature fluctuations can cause the melting and solidification of the solidification front what a more timely insertion of the transition from columnar to globulitic dendrite growth can cause what in many cases the goal of using the oscillating-rotating magnetic field in foundry technology will be.

Ein Beispiel von durch ein oszillierend-rotierendes Magnetfeld gesteuerten Temperaturschwankungen wird in 16 dargestellt. Dabei sind die zeitlichen Verläufe der Temperatur T an verschiedenen Punkten z der Mittelachse der flüssigen Metallsäule bei einer Kühlung von unten vorzugsweise mittels eines Thermostats gezeigt. Die Abkühlungskurven entsprechen dem zeitlichen Verlauf der Temperatur des gekühlten Metalls 2 in verschiedenen Abständen vom Boden 9 der z-Achse 14 aus im Zylinder 3 mit adiabatischen Wänden 8 und adiabatischem Deckel 10.An example of temperature fluctuations controlled by an oscillating-rotating magnetic field is shown in FIG 16 shown. The temporal courses of the temperature T at different points z of the central axis of the liquid metal column are shown with a cooling from below, preferably by means of a thermostat. The cooling curves correspond to the time course of the temperature of the cooled metal 2 at different distances from the ground 9 the z axis 14 out in the cylinder 3 with adiabatic walls 8th and adiabatic lid 10 ,

Insgesamt besteht die Erfindung in einer Steuerung der Strömung der leitenden Flüssigkeit 2 für das Einschalten/Abschalten des rotierenden Magnetfeldes im Stokesschen Strömungsbereich, die gegenüber bekannten Verfahren zum Rühren die folgenden Vorteile aufweist:

  • 1. Die Veringerung des Turbulenzgrades,
  • 2. eine Erhöhung des Verhältnisses von meridionaler zu azimutaler kinetischer Energie und
  • 3. eine Energie-Ersparnis von 50%.
Overall, the invention consists in a control of the flow of the conductive liquid 2 for the switching on / off of the rotating magnetic field in the Stokes flow range, which has the following advantages over known methods for stirring:
  • 1. The reduction of the degree of turbulence,
  • 2. An increase in the ratio of meridional to azimuthal kinetic energy and
  • 3. an energy saving of 50%.

11
Vorrichtungcontraption
22
leitende Flüssigkeitsenior liquid
33
Behältercontainer
44
ElektromagnetsystemElectromagnetic system
55
Steuer-/RegeleinrichtungControl / regulating device
66
Unterbrechungs-EinrichtungInterruption device
77
Rechnereinheitcomputer unit
88th
Zylindermantelcylinder surface
99
Bodenground
1010
Deckelcover
1111
Erstes Induktionspulenpaarfirst Induction coil pair
1212
Zweites Induktionsspulenpaarsecond Induction coil pair
1313
Drittes Induktionsspulenpaarthird Induction coil pair
1414
Mittelachsecentral axis
1515
Luftspaltair gap
1616
Erste VersorgungsleitungFirst supply line
1717
zweite Versorgungsleitungsecond supply line
1818
dritte Versorgungsleitungthird supply line
1919
vierte Versorgungsleitungfourth supply line
2020
fünfte Versorgungsleitungfifth supply line
2121
sechste Versorgungsleitungsixth supply line
2222
azimutale Strömungazimuthal flow
2323
meridionale Strömungmeridional flow
2424
Thermostatthermostat
2525
Gestellframe

Claims (17)

Verfahren zum Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten (2) in Behältern (3), in denen durch Rotation eines Magnetfeldes mittels sich zentralsymmetrisch gegenüberliegender und außerhalb der Behälter (3) befindlicher Induktionsspulen (11, 12, 13) eine azimutale Strömung (22) und eine meridionale Strömung (23) im quasi-Stokesschen Strömungsbereich innerhalb der leitenden Flüssigkeit (2) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen des Maximums des Stokesschen Strömungsbereiches das rotierende Magnetfeld einem Wechsel von Einschalten und Ausschalten des Magnetfeldes in einem Zeitintervall Δt/Δt* von Δt = tfm – tlam (dimensionsbehaftet) (Ia) oder Δt* = tfm* –tlam* (dimensionslos) (Ib)und die Flüssigkeit (2) einer oszillierenden Lorentz-Kraft Ffm unterworfen werden, wobei tfm dem Zeitpunkt tEIN1 des Erreichens des ersten Minimums der volumengemittelten Geschwindigkeit der meridionalen Strömung (23) nach dem Abschalten des Magnetfeldes, zu dem das Magnetfeld wieder eingeschaltet wird, entspricht, und wobei tlam dem Zeitpunkt tAUS1 des Erreichens des ersten Maximums der volumengemittelten Geschwindigkeit der meridionalen Strömung (23) nach dem Einschalten des Magnetfeldes, zu dem das Magnetfeld erstmals abgeschaltet wird, entspricht.Method for stirring electrically conductive liquids ( 2 ) in containers ( 3 ) in which by rotation of a magnetic field by means of centrally symmetrical opposite and outside the container ( 3 ) induction coils ( 11 . 12 . 13 ) an azimuthal flow ( 22 ) and a meridional flow ( 23 ) in the quasi-Stokes flow region within the conductive liquid ( 2 ) are generated, characterized in that after reaching the maximum of the Stokes flow range, the rotating magnetic field a change of switching on and off of the magnetic field in a time interval .DELTA.t / .DELTA.t * of Δt = t fm - t lam (dimensioned) (Ia) or Δt * = t fm * -T lam * (dimensionless) (Ib) and the liquid ( 2 ) are subjected to an oscillating Lorentz force F fm , tfm being equal to the time t IN1 of reaching the first minimum of the volume-average velocity of the meridional flow ( 23 ) after switching off the magnetic field to which the magnetic field is switched on again, and wherein t lam at the time t OFF1 of reaching the first maximum of the volume-average speed of the meridional flow ( 23 ) after switching on the magnetic field to which the magnetic field is first turned off corresponds. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Charakterisierung der azimutalen Strömung (22) und der meridionalen Strömung (23) die über das Volumen V gemittelten Geschwindigkeiten Uθ und Urz mit:
Figure 00290001
als volumengemittelte meridionale Geschwindigkeit verwendet werden, wobei V gleich dem Volumen eines Zylinder-Behälters mit V = πR2H ist.
Method according to claim 1, characterized in that for the characterization of the azimuthal flow ( 22 ) and the meridional flow ( 23 ) the velocities U θ and U rz averaged over the volume V with:
Figure 00290001
is used as the volume average meridional velocity, where V equals the volume of a cylinder vessel with V = πR 2 H.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der wahlweisen Vorgabe einer hohen magnetischen Taylor-Zahl Ta im quasilaminaren und nichtlinearen Stokesschen Strömungsbereich geblieben wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that with the optional specification of a high Taylor magnetic number T a remained in the quasi-laminar and non-linear Stokes flow range. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem quasi-Stokesschen Strömungsbereich gearbeitet wird, wenn eine periodische Ein- und Abschaltung des rotierenden Magnetfeldes durchgeführt wird.Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that in the quasi-Stokes flow region is worked when a periodic switching on and off of the rotating Magnetic field performed becomes. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem offenem Zylinder oder einem Zylinder mit einem Größenverhältnis mit A ≠ 1 die Dauer des unterbrechenden Zeitintervalls Δt/Δt* aus dem Verhältnis Δt* = t * / fm – t * / lam dimensionslos) oder nicht dimensionslos mit Δt = tfm – tlam vorgegeben wird, wobei
Figure 00300001
ist.
Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that in the case of an open cylinder or a cylinder having a size ratio with A ≠ 1, the duration of the interrupting time interval Δt / Δt * from the ratio Δt * = t * / fm - t * / lam dimensionless) or not dimensionless with Δt = t fm - t lam is given, where
Figure 00300001
is.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die folgende Steuerungsgleichung (IV) zur periodischen Ein-/Abschaltung der Lorentz-Kraft:
Figure 00300002
wobei k nur INTEGER (ganzzahlig nach unten abgerundet) sein kann, z. B. int(1.9) = 1 , wobei
Figure 00310001
sowie J1 Bessel-Funktion erster Art und λk die Wurzel von J1(x) = 0 sind, verwendet und zur Speicherung in die Rechnereinheit (7) eingegeben wird.
Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the following control equation (IV) for the periodic switching on / off of the Lorentz force:
Figure 00300002
where k can only be INTEGER (rounded integer down), e.g. B. int (1.9) = 1, where
Figure 00310001
and J 1 Bessel function of the first kind and λ k are the root of J 1 (x) = 0, and used for storage in the computer unit ( 7 ) is entered.
Vorrichtung (1) zum Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten (2) in Behältern (3), in denen durch Rotation eines Magnetfeldes mittels sich zentralsymmetrisch gegenüberliegender und außerhalb der Behälter (3) befindlicher Induktionsspulen (11, 12, 13) eine azimutale Strömung (22) und eine meridionale Strömung (23) im quasi-Stokesschen Strömungsbereich innerhalb der leitenden Flüssigkeit (2) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer-/Regeleinrichtung (5) mit zumindest einer Unterbrechungs-Einrichtung (6) und einer Rechnereinheit (7) vorhanden ist, wobei die Unterbrechungs-Einrichtung (6) zur Unterbrechung des rotierenden Magnetfeldes nach Erreichen des Maximums des Stokesschen Strömungsbereiches in einem Zeitintervall Δt/Δt* von Δt = tfm – tlam (dimensionsbehaftet) (Ia) oder Δt* = tfm* – tlam* (dimensionslos) (Ib)vorgesehen ist, wobei tfm dem Zeitpunkt tEIN1 des Erreichens des ersten Minimums der volumengemittelten Geschwindigkeit der meridionalen Strömung (23) nach dem Abschalten des Ma gnetfeldes, zu dem das Magnetfeld wieder eingeschaltet wird, entspricht, und wobei tlam dem Zeitpunkt tAUS1 des Erreichens des ersten Maximums der volumengemittelten Geschwindigkeit der meridionalen Strömung (23) nach dem Einschalten des Magnetfeldes, zu dem das Magnetfeld erstmals abgeschaltet wird, entspricht.Contraption ( 1 ) for stirring electrically conductive liquids ( 2 ) in containers ( 3 ) in which by rotation of a magnetic field by means of centrally symmetrical opposite and outside the container ( 3 ) induction coils ( 11 . 12 . 13 ) an azimuthal flow ( 22 ) and a meridional flow ( 23 ) in the quasi-Stokes flow region within the conductive liquid ( 2 ), characterized in that a control device ( 5 ) with at least one interruption device ( 6 ) and a computer unit ( 7 ), the interruption device ( 6 ) for interrupting the rotating magnetic field after reaching the maximum of the Stokes flow range in a time interval .DELTA.t / .DELTA.t * of Δt = t fm - t lam (dimensioned) (Ia) or Δt * = t fm * - t lam * (dimensionless) (Ib) where t fm is the instant t IN1 of reaching the first minimum of the volume average velocity of the meridional flow ( 23 ) after switching off the magnetic field to which the magnetic field is switched on again, and wherein t lam at the time t OFF1 of reaching the first maximum of the volume-average speed of the meridional flow ( 23 ) after switching on the magnetic field to which the magnetic field is first switched off, equivalent. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (3) zylindrisch ausgebildet ist und aus einem Zylindermantel (8) sowie aus einem Boden (9) und wahlweise aus einem Deckel (10) besteht.Apparatus according to claim 7, characterized in that the container ( 3 ) is cylindrical and from a cylinder jacket ( 8th ) as well as from a soil ( 9 ) and optionally from a lid ( 10 ) consists. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektromagnetsystem (4) mindestens drei Paare Induktionsspulen (11, 12, 13) besitzt, wobei jeweils die Induktionsspulen eines Paares (11; 12; 13) zentralsymmetrisch zur Mittelachse (14) um den Behälter (3) herum angeordnet sind.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the electromagnetic system ( 4 ) at least three pairs of induction coils ( 11 . 12 . 13 ), wherein in each case the induction coils of a pair ( 11 ; 12 ; 13 ) centrally symmetrical to the central axis ( 14 ) around the container ( 3 ) are arranged around. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulenpaare (11, 12, 13) von dem Behältermantel (8) durch einen Luftspalt (15) getrennt angeordnet sind.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the induction coil pairs ( 11 . 12 . 13 ) of the container shell ( 8th ) through an air gap ( 15 ) are arranged separately. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (3) mit einem Gestell (25) und/oder mit einem Thermostat (24) in Verbindung steht.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the container ( 3 ) with a frame ( 25 ) and / or with a thermostat ( 24 ). Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulenpaare (11, 12, 13) über Versorgungsleitungen (16, 17, 18, 19, 20, 21) mit der Steuer-/Regeleinrichtung (5) verbunden sind.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the induction coil pairs ( 11 . 12 . 13 ) via supply lines ( 16 . 17 . 18 . 19 . 20 . 21 ) with the control device ( 5 ) are connected. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Steuer-/Regeleinrichtung (5) zugeordnete Unterbrechungs-Anordnung (6) zur Durchführung des Schaltwechsels Δt/Δt* des elektrischen Stromes zum periodischen Wechsel und einer Änderung der Lorentz-Kraft vorgesehen ist und einen gesteuerten, den Wechsel von Einschalten und Ausschalten durchführenden Stromunterbrecher für die Induktionsspulenpaare (11, 12, 13) enthält, wobei die Unterbrechungs-Anordnung (6) wahlweise mit elektronischen Bauelementen als Hardware und/oder mit programmtechnischen Mitteln als Software ausgebildet ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the control device ( 5 ) associated interruption arrangement ( 6 ) is provided for performing the switching change .DELTA.t / .DELTA.t * of the electric current for periodic change and a change in the Lorentz force and a controlled, the change of switching on and off performing power circuit breaker for the induction coil pairs ( 11 . 12 . 13 ), the interruption arrangement ( 6 ) is optionally formed with electronic components as hardware and / or with program-technical means as software. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (3) mit dem Thermostaten (24) in Verbindung steht, der die Temperatur der Flüssigkeit (2) entsprechend der Temperaturvorgabe konstant hält.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the container ( 3 ) with the thermostat ( 24 ), which determines the temperature of the liquid ( 2 ) keeps constant according to the temperature specification. Verwendung des Verfahrens und/oder der Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen für die chemische Industrie, wenn eine unveränderliche Grenze zwischen zwei reagierenden Flüssigkeiten, z.B. Elektrolyten bei hoher Geschwindigkeit vorgesehen wird.Use of the method and / or the device according to the preceding claims for the chemical Industry, if immutable Boundary between two reacting liquids, e.g. electrolytes is provided at high speed. Verwendung des Verfahrens und/oder der Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen in der Metallurgie zur Erzeugung regelmäßiger Temperaturschwankungen, wobei die Temperaturschwankungen zum Schmelzen und Erstarren der Erstarrungsfront führen, was ein zeitigeres Einsetzen des Übergangs von kolumnarem zu globulitischem Dendritenwachstum bewirkt.Use of the method and / or the device according to the preceding claims in metallurgy to produce regular temperature fluctuations, the temperature fluctuations for melting and solidification of Lead solidification front, what a more timely beginning of the transition from columnar to globulitic dendrite growth. Verwendung des Verfahrens und/oder der Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen bei Verfahren der Kristallzüchtung, insbesondere zur Verringerung von Kristalldefekten durch Reduzierung des Turbulenzgrades.Use of the method and / or the device according to the preceding claims in methods of crystal growth, in particular for the reduction of crystal defects by reduction of turbulence degree.
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