Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Kontrolle und Beeinflussung der Schmelzströmung beim Vertical Gradient Freeze- (VGF-) Verfahren durch magnetische Wechselfelder, wobei speziell der Einfluss von rotierenden und wandernden Magnetfeldern auf den Stoff- und Wärmetransport untersucht wird. Das Potential der VGF-Magnetfeldzüchtung für die Reduktion der thermischen Spannungen bei der Züchtung von Ge- und GaAs-Kristallen wird demonstriert. Anhand von Experimenten zur Gasphasendotierung von Ge-Einkristallen mit Zink werden außerdem die Vorteile des Magnetfeldeinsatzes für eine effektive Durchmischung der Schmelze und für eine Reduzierung der radialen Dotierstoffsegregation gezeigt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung von züchtungsrelevanten Modellanordnungen für systematische Strömungsexperimente mit niedrig schmelzenden Legierungen. Dadurch kann die gegenseitige Beeinflussung zwischen der magnetfeldinduzierten Strömung und der thermische Auftriebströmung beim VGF-Verfahren direkt untersucht werden.

Melt flow plays an important role in directional solidification of multicrystalline silicon influencing the temperature field and the crystallization interface as well as the transport of impurities. This work investigates the potential of a traveling magnetic field (TMF) for an active control of the melt flow. A system of 3D numerical models was developed and adapted based on open-source software for calculations of Lorentz force, melt flow, and related phenomena. Isothermal and non-isothermal model experiments with a square GaInSn melt were used to validate the numerical models by direct velocity measurements. Several new 3D flow structures of turbulent TMF flows were observed for different melt heights. Further numerical parameter studies carried out for silicon melts showed that already a weak TMF-induced Lorentz force can stir impurities near to the complete mixing limit. Simultaneously, the deformed temperature field leads to an increase of the deflection of crystallization interface, which may exhibit a distinct asymmetry. The numerical results of this work were implemented in a research-scale silicon crystallization furnace. Scaling laws for various phenomena were derived allowing a limited transfer of the results to the industrial scale.

Stahl wird heutzutage fast ausschließlich im kontinuierlichen Stranggussprozess zu Halbzeugen verschiedener Geometrien verarbeitet. Flüssiger Stahl wird dabei über ein Tauchrohr in eine wassergekühlte, nach unten offene Kokille gefüllt und erstarrt an deren Wänden. Der innen noch flüssige Strang wird kontinuierlich nach unten aus der Kokille abgezogen und ist erst nach mehreren Metern komplett erstarrt. Die Qualität des Halbzeugs wird vorwiegend durch die Strömung in der Kokille beeinflusst. In der Industrie werden seit langer Zeit verschiedene elektromagnetische Aktuatoren eingesetzt, um die Strömungsstruktur in der Kokille mithilfe von Lorentzkräften zu beeinflussen. Bedingt durch die hohe Temperatur des flüssigen Stahls und dessen Undurchsichtigkeit lässt sich die Strömungsstruktur im realen Prozess jedoch kaum untersuchen. Zur Optimierung sowie zum besseren Verständnis der Vorgänge in der Kokille sind daher numerische Simulationen und Modellexperimente notwendig. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen zum kontinuierlichen Stranggießen von Stahl unter dem Einfluss verschiedener elektromagnetischer Aktuatoren präsentiert. Die Experimente wurden an der Mini-LIMMCAST-Anlage des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) durchgeführt. Mini-LIMMCAST ist ein Modell einer Strangguss-Anlage, welches isotherm mit der bei Raumtemperatur flüssigen Metalllegierung GaInSn betrieben wird. Durch die Verwendung von flüssigem Metall als Modellfluid können die Auswirkungen elektromagnetischer Aktuatoren untersucht werden, jedoch kann aufgrund der Undurchsichtigkeit des Modellfluids die Geschwindigkeitsverteilung in der Kokille nicht mittels optischer Verfahren erfasst werden. Daher wird zur Messung der Geschwindigkeitsverteilung in der Kokille die Ultraschall-Doppler-Velocimetrie eingesetzt. Die Ergebnisse von Messungen an zwei verschiedenen Kokillen-Geometrien werden vorgestellt: zum Einen solche an einer zylindrischen Kokille, bei welcher auf verschiedene Arten eine Drehströmung erzeugt wurde. Dies erfolgte durch elektromagnetisches Rühren in der Kokille sowie durch ein Tauchrohr mit spiralförmigen Auslässen. Zum Anderen wird eine Kokille mit rechteckigem Querschnitt, wie sie in Brammen-Anlagen verwendet wird, betrachtet. In dieser wird die Strömung sowohl durch ein statisches Magnetfeld, einer sogenannten elektromagnetischen Bremse, als auch durch elektromagnetische Wechselfelder beeinflusst. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eine Reihe zuvor nicht beschriebener Phänomene, wie das zeitliche Verhalten des Jets in der Rundkokille mit elektromagnetischem Rührer oder den Mechanismus der in der Brammen-Geometrie mit elektromagnetischer Bremse für eine Veränderung der Geschwindigkeit an der freien Oberfläche der Kokille sorgt. Umfassende experimentelle Parameterstudien erlauben detaillierte Einblicke in die beim Stranggießen auftretenden Strömungsstrukturen, wie sie mit numerischen Simulationsmodellen nur unter einem immensen Einsatz von Rechenleistung zu erzielen wären. / Today, steel is almost exclusively processed into semi-finished products of various geometries by the continuous casting process. Liquid steel is filled through a submerged entry nozzle into a water-cooled, downwardly open mould and solidifies on its walls. The strand, which is still liquid on the inside, is continuously drawn downwards out of the mould and is then completely solidified after several metres. The quality of the semi-finished product is mainly influenced by the flow in the mould. For many years, various electromagnetic actuators have been used in industry to influence the flow structure in the mould by the application of Lorentz forces. Due to the high temperature of the liquid steel and its opacity, however, the flow structure can hardly be investigated in the real process. Therefore, numerical simulations and model experiments are necessary to optimise and better understand the processes in the mould. In this dissertation the results of experimental investigations on continuous casting of steel under the influence of different electromagnetic actuators are presented. The experiments were performed at the Mini-LIMMCAST facility of the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Mini-LIMMCAST is a model of a continuous casting machine which is operated isothermally with the metal alloy GaInSn, which is liquid at room temperature. By using liquid metal as model fluid, the effects of electromagnetic actuators can be investigated, but due to the opacity of the model fluid, the velocity distribution in the mould cannot be determined by optical methods. Therefore, ultrasonic Doppler velocimetry is used to measure the velocity distribution in the mould. The results of measurements using two different mould geometries are presented. One is a cylindrical mould in which a rotational flow was generated in different ways. This was achieved by electromagnetic stirring in the mould and by an submerged entry nozzle with spiral-shaped outlets. On the other hand, a mould with a rectangular cross-section, as used for slab casting, is considered. Here the flow is influenced by a static magnetic field, a so-called electromagnetic brake, as well as by alternating electromagnetic fields. The results of this work show a number of previously undescribed phenomena, such as the temporal behaviour of the jet in the round mould with an electromagnetic stirrer or the mechanism that causes a change in the speed at the free surface of the mould in the slab geometry with an electromagnetic brake. Comprehensive experimental parameter studies allow detailed insights into the flow structures occurring during continuous casting, which could only be achieved with numerical simulation models with an immense input of computing power.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Kontrolle und Beeinflussung der Schmelzströmung beim Vertical Gradient Freeze- (VGF-) Verfahren durch magnetische Wechselfelder, wobei speziell der Einfluss von rotierenden und wandernden Magnetfeldern auf den Stoff- und Wärmetransport untersucht wird. Das Potential der VGF-Magnetfeldzüchtung für die Reduktion der thermischen Spannungen bei der Züchtung von Ge- und GaAs-Kristallen wird demonstriert. Anhand von Experimenten zur Gasphasendotierung von Ge-Einkristallen mit Zink werden außerdem die Vorteile des Magnetfeldeinsatzes für eine effektive Durchmischung der Schmelze und für eine Reduzierung der radialen Dotierstoffsegregation gezeigt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung von züchtungsrelevanten Modellanordnungen für systematische Strömungsexperimente mit niedrig schmelzenden Legierungen. Dadurch kann die gegenseitige Beeinflussung zwischen der magnetfeldinduzierten Strömung und der thermische Auftriebströmung beim VGF-Verfahren direkt untersucht werden.

Melt flow plays an important role in directional solidification of multicrystalline silicon influencing the temperature field and the crystallization interface as well as the transport of impurities. This work investigates the potential of a traveling magnetic field (TMF) for an active control of the melt flow. A system of 3D numerical models was developed and adapted based on open-source software for calculations of Lorentz force, melt flow, and related phenomena. Isothermal and non-isothermal model experiments with a square GaInSn melt were used to validate the numerical models by direct velocity measurements. Several new 3D flow structures of turbulent TMF flows were observed for different melt heights. Further numerical parameter studies carried out for silicon melts showed that already a weak TMF-induced Lorentz force can stir impurities near to the complete mixing limit. Simultaneously, the deformed temperature field leads to an increase of the deflection of crystallization interface, which may exhibit a distinct asymmetry. The numerical results of this work were implemented in a research-scale silicon crystallization furnace. Scaling laws for various phenomena were derived allowing a limited transfer of the results to the industrial scale.