Funktionstest und Einsatz der Induktionsspule zur Beheizung der Schmelze in den COMET-H Experimenten

In den COMET-H Versuchen wird die Beheizung der Schmelze durch eine ebene Induktionsspule mit Jochen vorgenommen, die speziell für diese Versuche entwickelt wurde. In dem vorliegenden Bericht werden die Abnahmetests für den Induktor dargestellt und deren Ergebnisse diskutiert. Ziel dieser Abnahmetests ist die Prüfung der Leistungsspezifikation und der an den Induktor gestellten Anforderungen sowie der Nachweis eines sicheren Betriebes des Induktors in Zusammenwirken mit anderen elektrischen Anlagenkomponenten.
Zur Simulation der flüssigen Eisenschmelze wurde ein Stapel runder Metallplatten aus nicht rostendem und unmagnetischem Stahl (VA-Platten) verwendet. ... mehrIn vier Versuchsreihen wurden 18 Leerlauftests und 10 Tests mit VA-Platten als kalorimetrischer Abnahmetest für den Induktor durchgeführt. Um die Homogenität der Leistungseinkopplung zu untersuchen, wurden Temperaturen in dem Plattenstapel bei verschiedenen Radien und Winkeln gemessen. In zwei weiteren Versuchen wurden Magnetfeld- und Thermographiemessungen zur Untersuchung der Homogenität des Induktor-Magnetfeldes durchgeführt. Das Ankopplungsverhalten der Schmelze bei Einguß und Beginn des Aufheizens in den COMET-H Versuchstiegel und die Rückwirkung auf den stabilen Umrichterbetrieb wurden durch einen Versuch mit einer absenkbaren, an einem Seil aufgehängten VA-Platte sowie durch einen Versuch mit ferritischem Schrott im Tiegel simuliert. Ferner werden der Einsatz des Induktors in den bisherigen COMET-H Versuchen und Versuche zur Stabilisierung des Umrichterbetriebes dargestellt und diskutiert.
Während der Abnahmetests mußte eine Reihe von Änderungen an dem Induktor und der Umrichteranlage, die die zum Leistungsbetrieb notwendige Mittelfrequenz-Wechselspannung erzeugt, durchgeführt werden. Dies betrifft vor allem die notwendige Kühlung der Induktionsspule und der Joche sowie die Stabilisierung der Regelung der Wechselspannungsumrichter.
Nach Abschluß der Verbesserungen lassen sich die Ergebnisse der Untersuchungen wie folgt zusammenfassen:
In den kalorimetrischen Tests wird eine in die Platten eingekoppelte Nettoleistung von 400 kW/m2 bei Induktorspannungen von 2.5 bis 2.0 kV erreicht, wobei die entsprechenden Abstände der Platten von der Induktoroberkante 160 mm (Abstand bei Schmelzeneinguß) bzw. 110 mm (Abstand bei Wasserzutritt) betragen. Damit ist die Leistungsspezifikation des Induktors erfüllt. Die verbesserte Induktorkühlung kann die anfallende Verlustleistung sicher abführen. Die bisherigen COMET-H Versuche zeigen jedoch, daß die metallische Schmelze einen um ca. 20 % (vor Erstarrung) bzw. ca. 5 % (nach Erstarrung) höheren Ankopplungswirkungsgrad besitzt als die Metallplatten. Daher kann die Betriebsspannung des Induktors abgesenkt werden.
Die durchgeführten Tests bestätigen, daß das Magnetfeld oberhalb des Induktors und damit auch die Leistungsverteilung über dem Radius und über dem Winkel der Schmelze der erwarteten Wärmequellenverteilung entspricht.
Die Tests, die durchgeführt wurden, um den Umrichterbetrieb während des Versuchsablaufes in den COMET-H Experimenten zu stabilisieren, zeigen, daß ein sicherer Betrieb des Induktors in Zusammenwirken mit anderen elektrischen Anlagenkomponenten erreicht wird.
Aus den Messungen der Leerlauf- und kalorimetrischen Tests werden für die in die Schmelze eingekoppelte Leistung bei gegebener Induktorspannung und verschiedenen Abständen Nettoleistungen ermittelt, die als Richtwerte für die Leistungseinstellung bzw. -regulierung bei verschiedenen Abständen der Schmelze von der Induktoroberkante in den COMET-H Versuchen herangezogen werden.

Testing and Application of the Inductor for Heating of Melts in the COMET-H Experiments
To induce heat in the metal part of thermite melts in the COMET-H Experiments, a flat type Inductor, especially designed for this purpose, is used. In this report the experiments conducted to test the inductor are introduced and their results discussed. The aim of this report is to prove that the inductor meets the power specification and other requirements including a reliable operation in connection with other electrical components of the COMET-H Experimental Facility.
To simulate the iron melts in the COMET-H Experiments, a package of round non-magnetic metal plates made out of stainless steel are used. ... mehrIn four series of experiments 18 no-load power tests and 10 caloric tests with the plates on top of the inductor are conducted. In order to investigate the homogeneity of the power induction, temperatures are measured in the plates at different radii and angles. In further experiments measurements of the magnetic field of the inductor are conducted to investigate the homogeneity of the magnetic field on top of the inductor. The behavior of power induction in the Melt at time of pouring and beginning of heating and the influence on the stable operation of the converters are simulated with the help of a sinkable stainless steel plate and ferric scraps in a vessel. The application of the inductor in COMET-H Experiments conducted so far and experiments to stabilize the operation of the converters are also topics of this report.
In the course of the experiments a series of changes on the inductor and converter facility were carried out in order to improve the cooling of the inductor and stabilize the converter-controls.
With the improvements in action, the results of the investigations can be summarized to the following conclusions:
In the caloric tests the induction of 400 kW/m2 power in the plates is achieved at inductor voltages between 2.5 and 2.0 kV by the distances of the plates from inductor varying from 160 mm (beginning of pouring) to 110 mm (water inlet) respectively. Consequently, the power specification of the induction coil is fulfilled. The improved cooling system of the induction coil is able to remove the heat loss. The COMET-H Experiments conducted so far show a better power induction efficiency of the metal melts averaging to about 20 % more before solidification and 5 % more after solidification. As a result, the inductor can be operated at a lower voltage to ensure the power specification.
The tests confirm the anticipated homogeneity of the magnetic field on top of the inductor, and accordingly a homogeneous radial and angular power distribution.
The tests conducted to stabilize the operation of converters during the COMET-H Experiments show that a secure operation of the inductor in connection with other electrical components of the test facility is ensured.
The measurements of the no-load power tests and the caloric test are used to calculate the induced net power in the plates at various inductor voltages and distances of plates from the inductor. The results are used as estimate values to adjust or regulate the requested net power in melts in COMET-H Experiments.