Projekt 17360/01

Elektromagnetische Abschirmung von Induktionsanlagen durch Konstruktionselemente mit magnetisch wirksamen Bestandteilen

Projektdurchführung

Bauhaus-Universität WeimarFakultät BauingenieurwesenF. A. Finger-Institut für Baustoffkunde
Coudraystr. 11
99421 Weimar

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Elektromagnetische Streufelder belasten die Umwelt und stehen im Verdacht, auf den menschlichen Organismus eine schädigende Wirkung auszuüben. Hohe magnetische Feldstärken treten beispielsweise in der Umgebung von Induktionsanlagen (induktive Erwärmungs- und Schmelzanlagen) auf. Ohne abschirmende Maßnahmen entstehen dabei starke Streufelder im Umfeld der Anlagen.
Mit dem Projekt sollten exemplarische Beispiellösungen geschaffen werden, die zeigen, wie die magnetische Feldstärke im Aufenthaltsbereich des Bedien- und Wartungspersonals für mit hohen Strömen und Frequenzen arbeitende Maschinen und Anlagen kostengünstig minimiert werden kann.
Die Lösung wird erreicht, in dem den ohnehin vorhandenen Maschinengehäusen oder Gebäudewänden ein magnetischer Zuschlagstoff zugegeben wird, der beispielsweise aus metallurgischen Filterstäuben zu gewinnen ist.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAus geeigneten Bindemitteln, Zuschlägen und magnetisch wirksamen Bestandteilen waren Materialgemische zu entwickeln, die eine hohe relative Permeabilität der Konstruktionselemente erzeugen. Dabei wurde der Einsatz von Abfallprodukten favorisiert. Untersuchungsschwerpunkte waren:
- Suche von geeigneten magnetisch wirksamen Bestandteilen und Optimierung der Zusammensetzung;
- Optimierung der magnetisch wirksamen Bestandteile (z.B. Länge und Dicke der Fasern, Korngröße);
- Messaufbau und Messung der mechanischen und thermischen Eigenschaften der Materialgemische;
- Messung elektrischer und magnetischer Eigenschaften bei verschiedenen Frequenzen u. Feldstärken.
Beim Bau von schirmenden Konstruktionselementen stand die konstruktive Anpassung an die Elektroenergieanlage (zum Beispiel Verzinkungswanne, Schmiedeinduktor) unter Einhaltung von gesetzlichen Sicherheitsbestimmungen sowie die Fertigungstechnologie für Konstruktionselemente im Mittelpunkt.
Die Erprobung im Labor an vorhandenen Anlagen und beim Anwender sollte Fragen zum Langzeit- und Temperaturverhalten, der mechanischen Festigkeit, der Schirmwirkung und zu Ummagnetisierungsverlusten klären.
Durch das Projekt sollte erreicht werden, Belastungen des Bedienpersonals und der Umwelt durch hohe Streufelder im Umfeld von Induktionsanlagen mit Hilfe neuer, kostengünstiger Abschirmmaßnahmen zu reduzieren und in zukünftigen Normen zu erwartende, niedrige Grenzwerte einzuhalten. Das mit diesem Projekt entwickelte Material soll auch zur Abschirmung elektromagnetischer Streufelder in anderen Elektroenergieanlagen (Elektrolyseanlagen, Lichtbogenöfen usw.) eingesetzt werden können.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen von theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur elektromagnetischen Schirmwirkung von Betonkonstruktionen mit magnetisch wirksamen Betonzusätzen wurde eine Schirmwirksamkeit derartiger Konstruktionen nachgewiesen.
Als magnetisch wirksame Zusatzstoffe erwiesen sich dabei insbesondere handelsübliche Stahlfasern sowie körniges Temperguss-Strahlmittel, das nach seiner Verwendung zur Oberflächen-Bearbeitung als Abfallstoff vorliegt. Als vorteilhaft hinsichtlich einer Schirmwirksamkeit erwiesen sich auch ein Zusatzstoff-Mix von Temperguss-Körnern und Stahlfasern sowie Stahlfasern und EKO-Konverterstaub.
Manifer 183, ein hochwertiger Weichferrit-Magnetwerkstoff sowie FeSi 15, ein hochlegiertes, weichmagnetisches Siliziumeisenpulver erwiesen sich in der experimentellen Überprüfung der Schirmwirksamkeit ebenfalls als geeignete Zusatzstoffe für schirmende Betonmischungen. Negativ wirken sich jedoch für eine praktische Anwendung hier vor allem die hohen Anschaffungskosten aus.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Scheibe-Keßler, Hansjörg; Untersuchungen zur Abschirmwirkung von Beton mit magnetisch wirksamen Bestandteilen für Induktionserwärmungsanlagen.
Workshop; 26.09.2003, Ilmenau.


Fazit

Eine Schirmwirksamkeit von Betonmischungen mit magnetisch wirksamen Bestandteilen konnte im Projekt nachgewiesen werden. Im Vergleich zu Schirmkonstruktionen aus homogenen Magnetwerkstoffen sind bei Verwendung derartiger Verbundmaterialien jedoch physikalisch bedingt nur relativ geringe Schirmwirkungen zu erwarten; diese bleiben allerdings bis in vergleichsweise hohe Feldstärkebereiche erhalten.
Stahlfasern erwiesen sich in der Betonmischung schon bei relativ geringen Masseanteilen von 40 M.-% (bezogen auf das Bindemittel) als wirksamer und kostengünstiger Zusatzstoff, der deshalb als Standardzusatz für schirmende Betongemische empfohlen wird. Die möglichst hochdosierte Zumischung vor allem von Temperguss-Strahlmittelabfällen, aber auch eisenhaltigen Filterstäuben aus der Stahlindustrie führt zu einer weiteren Verbesserung der Schirmwirkung des Materialgemisches. Weiterhin wird für die praktische Ausführung von Schirmkonstruktionen aus magnetisch wirksamen Betonmischungen vorgeschlagen, die Schirmdicke im Rahmen der konstruktiven Möglichkeiten zu maximieren.
Besonders im Bereich niedrigerer Frequenzen (unter 8 kHz) kann mit einem aus dem beschriebenen Materialgemisch bestehenden induktorumhüllenden Schirmrohr von 5...10 cm Dicke eine kostengünstige Verringerung der Magnetfeldbelastung von mindestens 10...20 % in der Umgebung der Induktionsanlage erwartet werden. Räumlich begrenzte Schirmwirkungen ähnlicher Größenordnung können mit großflächigen Schirmplatten bereits bei geringeren Dicken erreicht werden.
Sicherheitstechnisch zu beachten ist eine verstärkte Materialerwärmung im Bereich hoher Feldstärken und Frequenzen. Betonmischungen mit erhöhten Anteilen von eisenhaltigem Filterstaub weisen zusätzlich einen verringerten spez. elektrischen Widerstand auf. Für den konkreten Anwendungsfall ist daher der Einsatz entsprechender Schutzmaßnahmen zu prüfen.
Für Spezialanwendungen, bei denen frequenz- und feldstärkeunabhängige Felddämpfungen bei geringsten Ummagnetisierungsverlusten (resp. geringste Erwärmung der Schirmung) benötigt werden, bietet sich als Alternative zum genannten Mischungsentwurf ein Beton mit einem Zusatz von Mangan-Zink-Weichferritpulver in Höhe von mindestens 200 M.-% (bezogen auf das Bindemittel) an.