Prozessorientierte Analyse der induktiven Skull-Melting-Technologie bei Verwendung eines Transistorumrichters

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Beschreibung

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die prozessorientierte Untersuchung der induktiven Skull-Melting-Technologie (ISMT) unter Einsatz eines modernen Transistorumrichters. Dieser weist gegenüber den herkömmlich verwendeten Röhrengeneratoren neben einem erheblich höheren Wirkungsgrad weitere Vorteile auf, zu denen z. B. geringere Anschaffungs-und Betriebskosten zählen. Jedoch sind die Arbeitsfrequenzen deutlich kleiner.
Der induktive Skull-Melting-Prozess von elektrisch schwach leitfähigen Materialien wie Oxiden und Gläsern findet entweder in einem kalten Tiegel oder einem Induktortiegel statt. Ein kalter Tiegel besteht aus einem geschlitzten Metalltiegel mit separatem Induktor. Dagegen ähnelt der Induktortiegel einem einwindigen Induktor, welcher zugleich als Tiegel fungiert. Aufgrund intensiver Wasserkühlung in Tiegelwand und -boden bildet sich eine feste Skullschicht zwischen Schmelze und Tiegelmaterial, wodurch eine beachtliche Reinheit des Schmelzprodukts erreicht wird. Sehr hohe Schmelzentemperaturen sind dabei realisierbar.
Mittels analytischer Näherungsformeln, die in Russland für die ISMT bei Verwendung von Röhrengeneratoren empirisch entwickelt wurden, werden Berechnungen zur Bestimmung elektrischer Prozessparameter durchgeführt. Anhand der Berechnungsergebnisse lassen sich kalte Tiegel unterschiedlicher Abmessungen auslegen, die beim induktiven Schmelzen von Oxiden zum Einsatz kommen.
In Rahmen dieser Arbeit wird ein numerisches Simulationstool entwickelt, das den induktiven Schmelzprozess von Gläsern im Induktortiegel vollständig, ausgehend vom Startprozess mit einem Gasbrenner bis hin zum stationären Zustand, nachbildet. Das axialsymmetrische 2D-Modell führt dabei gekoppelte transiente Berechnungen der elektromagnetischen, thermischen und hydrodynamischen Vorgänge durch. Unter Zuhilfenahme des Simulationstools lassen sich für das induktive Glasschmelzen ein Induktortiegel mit wassergekühlten Metall-und Keramikböden konzipieren und der Schmelzprozess umfassend analysieren.
Zahlreiche Schmelzversuche mit verschiedensten Materialien bestätigen die erfolgreiche und effiziente Durchführbarkeit des induktiven Skull-Melting-Prozesses bei Verwendung eines Transistorumrichters. Es werden sowohl niedrig-als auch hochschmelzende Oxide wie YBCO und ZrO2 geschmolzen. Erfolgreiche Kristallzüchtungsversuche mit yttriumstabilisiertem ZrO2 im kalten Tiegel und Glasschmelzversuche im Induktortiegel runden die Versuchsreihen ab.