Beschreibung
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Analyse des induktiven Schmelzens von elektrisch schwachleitenden Materialien im kalten Tiegel (Induction Melting in Cold Crucible, IMCC) unter Verwendung eines Hochfrequenz-Transistor-Generators. Die erheblich niedrigeren Arbeitsfrequenzen, Spannungen und die abweichende Ausgangskennlinie des Transistor-Generators erfordern eine Erweiterung der experimentellen Erfahrungen, die aus der bisherigen IMCC-Technologie mit der Verwendung von Röhrengeneratoren bekannt sind. Die einzigartige IMCC-Technologie basiert auf einer kontaktlosen Energieübertragung in das zu schmelzende Material mittels hochfrequenten und leistungsstarken Magnetfeldern. Gegenüber den herkömmlich verwendeten Technologien zum Induktionsschmelzen dient die IMCC-Methode zum Schmelzen von Materialien, die im festen Zustand über eine schwache elektrische Leitfähigkeit verfügen. Dabei wird bei sehr hohen Temperaturen eine beachtlich hohe chemische Reinheit des IMCC-Prozesses erreicht, da der Kontakt zum Tiegelmaterial durch eine feste Skullschicht zwischen der Tiegelwand und der Schmelze verhindert wird. Das durch einen kalten Tiegel mit einem separaten Induktor gekennzeichnete Design des IMCC ist sehr robust und eignet sich für besonders schwere Prozessbedingungen wie z.B. das Schmelzen von aggressiven chemischen Materialzusammensetzungen. Für die Untersuchung verschiedener IMCC-Prozesse wurde eine experimentelle Anlage ausgelegt und am Institut für Elektroprozesstechnik der Leibniz Universität Hannover aufgebaut. In dieser Arbeit wird der Aufbau der entwickelten Anlage sowie eine detaillierte Beschreibung einzelner Bauelemente einschliesslich der zahlreichen Vorgehensweisen zur Durchführung von experimentellen Untersuchungen dargestellt. Des Weiteren werden Schmelz prozesse von Gläsern und Oxiden im kalten Tiegel für unterschiedliche wissenschaftliche und industrielle Anwendungen experimentell analysiert. Das universale Design der auf der IMCC-Methode basierten Anlage mit einem Transistorumrichter im Frequenzbereich von 80- 300 kHz erlaubt die Durchführung von umfangreichen Versuchsreihen für die Kristallzüchtung, das Glasschmelzen, die Hochtemperatursynthese von Materialien in der Flüssigphase sowie die Untersuchung von Phasendiagrammen. Die in Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse und experimentellen Erfahrungen können sehr effektiv für die Auslegung von leistungsstarken IMCC-Anlagen zur Kristallzüchtung, für die Entwicklung und die Analyse von neuen Oxiden sowie für die Hochtemperatursynthese von Gläsern oder für die Verglasung von radioaktiven Abfällen verwendet werden.