Walzdrahtziehmaschine zum Ziehen von Supraleiterdrähten

Supraleiter sind metallische oder keramische Werkstoffe, die bei einer bestimmten tiefen Temperatur ihren elektrischen Widerstand verlieren und dann elektrischen Strom verlustfrei übertragen. Zur...

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Supraleiter sind metallische oder keramische Werkstoffe, die bei einer bestimmten tiefen Temperatur ihren elektrischen Widerstand verlieren und dann elektrischen Strom verlustfrei übertragen. Zur Fertigung solcher Drähte verwendet man Ziehmaschinen, die sich sehr präzise regeln lassen. Einer der international führenden Hersteller von Supraleiterdrähten, die VAC Vacuumschmelze, betreibt eine solche Ziehmaschine.Supraleiter werden fast ausschließlich in Form von Verbunddrähten verwendet. Sie bestehen aus Filamenten, extrem dünnen Drähten aus supraleitenden Werkstoffen wie NbTi, und einer Matrix aus hochreinem Kupfer. Das Kupfer, in das die Filamente eingebettet sind, hat die Aufgabe, den supraleitenden Zustand zu stabilisieren und kurzzeitig den Stromfluss bei Störungen zu übernehmen, bis der supraleitende Zustand wiederhergestellt oder der Strom abgeschaltet ist.Supraleiterdrähte haben einen Durchmesser von 0,1 bis etwa 2 mm und bestehen aus bis zu 100 000 Filamenten mit einem Durchmesser von wenigen µm bis etwa 100 µm. Der Stromdurchfluß im supraleitenden Zustand beträgt bis zu 1000 A.Fertigung von SupraleiterdrähtenDie Fertigung der Drähte beginnt, indem man Stäbe aus einer Supraleiterlegierung in Sechskantrohre aus hochreinem Kupfer einbringt und diese in einem Hüllrohr aus Kupfer - oder einer Kupfer-Zinn-Legierung bei Nb3Sn-Leitern - bündelt. Der so entstandene Bolzen mit einem Außendurchmesser von 100 bis 250 mm wird durch Strangpressen in eine Stange mit 50 bis 70 mm Durchmesser umgeformt; die Stange wird auf einer Geradeaus-Ziehbank und schließlich auf einer Drahtziehmaschine auf immer kleinere Durchmesser gezogen. Aus den ursprünglichen Stäben werden Filamente, aus dem ursprünglichen Preßbolzen wird ein Verbunddraht. Um einen genügend großen Stromdurchfluss zu gewähren, muss ein Leiter viele tausend Filamente enthalten. In bestimmten Fällen werden deshalb Vorleiter erneut gebündelt und in ein Hüllrohr gegeben, woraufhin der beschriebene Umformvorgang wiederholt wird. Die Drähte können durch Walzen in eine beliebige Querschnittsform gebracht oder durch Verseilen zu einem Kabel aufgebaut werden. Ihre supraleitenden Eigenschaften erhalten die Drähte durch eine spezielle Wärmebehandlung. Das in Hanau ansässige Unternehmen VAC Vacuumschmelze entwickelt und fertigt Werkstoffe und Halbzeug mit besonderen physikalischen und magnetischen Eigenschaften. Zum Fertigungsprogramm gehören auch die genannten Supraleiterdrähte. Diese Drähte werden ausschließlich nach kundenspezifischen Anforderungen wie Durchmesser, Länge und Stromstärke hergestellt. Alle Supraleiterdrähte werden vor der Auslieferung einer 100%-Prüfung unterzogen. Bestimmt sind sie unter anderem für die Medizintechnik (Kernspintomogaphie) sowie für das europäische Kernforschungszentrum CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire) in Genf, Schweiz. Dort werden unter anderem NbTi-Leiter von VAC und anderen Herstellern für den Large Hadron Collider, den LHC-Teilchenbeschleuniger, eingesetzt, der für Antimaterie-Versuche vorgesehen ist und im Jahr 2005 in Betrieb gehen soll.Die erwähnten NbTi-Leiter können bei einer Temperatur von 1,9 K (-271,1 °C) und einem Magnetfeld mit der Flußdichte 10 T einen bis zu 14 000 Ampere starken Strom übertragen. Eingesetzt werden die Supraleiter in Form von Kabeln mit 28 und 36 Litzen, die einen Durchmesser von jeweils 1,065 oder 0,825 mm haben. Im ersten Fall enthält jede Litze 9000 Filamente mit jeweils 7 µm Durchmesser, im zweiten Fall 6500 Filamente mit 6 µm Durchmesser. Ziehen von supraleitenden DrähtenVoraussetzung für den stabilen Betrieb eines Supraleiters ist, dass die supraleitenden Eigenschaften nicht gestört sind. Einen maßgeblichen Einfluss haben dabei das Gefüge und die Geometrie des Supraleiterdrahtes, die über dessen gesamte Länge sehr gleichmäßig sein müssen. Daher kommt dem Ziehen eine entscheidend wichtige Bedeutung zu. Jede Unregelmäßigkeit während des Ziehvorganges beeinträchtigt die physikalischen Eigenschaften des gezogenen Drahtes, was sich um so schwerwiegender auswirkt, je feiner der Draht ist. Da Supraleiterdrähte sehr empfindlich auf derartige Unregelmäßigkeiten reagieren, muss eine zu deren Fertigung eingesetzte Ziehmaschine außergewöhnliche Anforderungen hinsichtlich Präzision und Steuerungstechnik erfüllen, soll aber auch wirtschaftlich arbeiten, die Bestimmungen der Umweltschutzgesetze einhalten und sich leicht bedienen lassen. Zum Ziehen von Supraleiterdrähten setzt VAC deshalb seit Mitte Januar 2001 eine Niehoff-Maschine ein, und zwar eine elektronisch gesteuerte Walzdrahtziehmaschine Typ MSM 85. Die Maschine zieht Drähte mit einem Ausgangsdurchmesser von 6,3 mm auf einen Enddurchmesser von 1 mm. Die geforderte Toleranz beträgt ± 1 µm vom Drahtdurchmesser. Zu den herausragenden Besonderheiten der Walzdrahtziehmaschine MSM 85 gehört, dass jede Ziehscheibe ihren eigenen Drehstromantrieb hat. Über die elektronische Steuerung der Anlage kann der Ziehvorgang so gesteuert werden, dass die Umdrehungsgeschwindigkeit jeder Ziehscheibe und die jeweilige Durchlaufgeschwindigkeit des Drahtes gleich groß sind. Schlupf, der Beschädigungen der Drahtoberfläche zur Folge hat, wird komplett vermieden. Zu den weiteren Eigenschaften der MSM 85 zählt, dass der Draht umlenkfrei und tänzerlos im Tandem-Ziehverfahren geradeaus laufend durch die Ziehsteine gezogen wird. Die Drahtverlängerung kann für jeden Zug flexibel eingestellt werden. Eine Hochdruckbespülung gewährleistet eine intensive Schmierung und Kühlung von Draht und Ziehsteinen.Weil nicht benötigte Ziehscheiben stillgesetzt werden können, sinkt der Verbrauch an Antriebsenergie im Vergleich mit konventionellen Ziehmaschinen um bis zu 20%. Energieeinsparungen ergeben sich auch dadurch, dass beim Betrieb der Maschine aus den bereits genannten Gründen keine Reibungsverluste auftreten. So ist weniger Ziehkraft nötig, die Maschine kann im Vergleich mit konventionellen Ziehmaschinen in einem niedrigeren Momentenbereich gefahren werden, wodurch wiederum der Energieverbrauch sinkt und weniger Wärme abgeführt werden muss. Die Motoren arbeiten wassergekühlt. Die Wasserkühlung ist wesentlich wirkungsvoller und deutlich geräuschärmer als eine Luftkühlung. Außerdem entfällt das bei einer Luftkühlung erforderliche Kühlgebläse für Motoren und Schaltschrank, so dass weitere Antriebsleistung eingespart wird. Das Geräuschniveau liegt bei deutlich unter 85 dB(A). Zum Betrieb der Maschine ist daher keine Schallschutzkabine nötig.Die Drehstromtechnik hat darüber hinaus den Vorteil, dass keine Verschleißteile wie Kohlebürsten, Kollektoren und Filter benötigt werden, wodurch sich der Aufwand für Wartungs- und Reinigungsaufgaben drastisch verringert. Die schlupf- und vibrationsfreie Funktionsweise hat neben einer hohen Qualität der Drahtoberfläche eine hohe Standzeit der Ziehwerkzeuge, eine längere Lebensdauer der Ziehemulsion und der Filtermaterialien zur Folge.Die Fertigung von Supraleiterdrähten ist ein Spezialgebiet, für das die Walzdrahtziehmaschine Typ MSM 85 besonders gut eingesetzt werden kann, unterstreicht aber deren hochwertige Funktionseigenschaften. Die MSM 85 wurde entwickelt, um Draht aus Kupfer, Kupfer- und Aluminiumlegierungen sowie auch anderen hochwertigen Werkstoffen mit einem Einlaufdurchmesser von maximal 12,5 mm auf einen Fertigdurchmesser von 1,0 mm bis 4,5 mm zu ziehen. Durch das Gesamtkonzept der Anlage ist der Energieverbrauch dieser Walzdraht-Ziehmaschine um insgesamt etwa 15 bis 20% niedriger als bei konventionellen Maschinen.