DE2407764A1

DE2407764A1 - Verfahren zur herstellung eines stabilisierten supraleiters

Info

Publication number: DE2407764A1
Application number: DE19742407764
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Phys Steinkamp
Original assignee: KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Kabelmetal AG
Priority date: 1974-02-19
Filing date: 1974-02-19
Publication date: 1975-08-28
Also published as: GB1459716A; FR2261598A1; JPS50132892A; FR2261598B3

Description

Kabel- und Metallwerke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft

2-140

Ik. Febr. 1974

Verfahren zur Herstellung eines stabilisierten Supraleiters

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines stabilisierten Supraleiters aus Kupfer und Niob.

Es ist bekannt, daß derzeit der Energiebedarf moderner Industriestaaten innerhalb von 10 Jahren auf jeweils etwa den doppelten Wert zunimmt.

Dieser stetig wachsende Energiebedarf macht die Einrichtung im-,mer leistungsfähigerer Energieversorgungsanlagen notwendig.

Es wird deshalb bereits erwogen, die bei sehr tiefen Temperaturen in Erscheinung tretenden günstigeren Materialeigenschaften wie den geringeren oder verschwindenden ohmschen Widerstand der Leiter und die höhere Durchschlagsfestigkeit der Isolierung für den Bau von Energieversorgungskabeln auszunutzen.

So ist es bekannt, daß einige Metalle und Metallegierungen, wie Niobium, Blei, Niob - Zinn etc. unterhalb einer bestimmten Temperatur keinen ohmschen Widerstand mehr aufweisen und in den sogenannten supraleitfähigen Zustand übergehen. Die sogenannten herten Supraleiter, die aus intermetallischen Verbindungen von beispielsweise Niob - Zinn, Niob - Zirkon, Niob - Titan haben den Vorteil, daß sie eine relativ hohe Sprungtemperatur (bis zu l8°K) haben. Sie weisen allerdings den Nachteil auf, daß Energieverluste bei Magnetfeldänderungen entstehen. Weiter sind diese sogenannten harten Supraleiter in den meisten Fällen sehr spröde.

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Für die Übertragung von Wechselstrom haben sich aus den oben genannten Gründen die sogenannten weichen Supraleiter wie Niobium und Blei als günstiger erwiesen. Da die Sprungtemperatur des Bleis nur wenig oberhalb des Siedepunktes von Helium liegt, geht die Entwicklung immer mehr zu den Niobleitern, und zwar zu den stabilisierten Supraleitern, d. h. zu einer Verbundkonstruktion aus einem supraleitenden Werkstoff und einem gutleitenden Werkstoff, beispielsweise Kupfer, wobei der Kupferanteil im Querschnitt so bemessen sein muß, daß bei Unterbrechung der Supraleitung der Kupferquerschnitt bis zum Abschalten der Leitung kurzfristig die Energie übertragen kann.

Es ist bereits ein Leiter aus supraleitendem Material bekannt, der in der Weise hergestellt wird, daß um einen Kupferdraht ein Niobband kontinuierlich zum Rohr geformt, an seinen Bandkanten verschweißt und anschließend das so gebildete Niobrohr auf den Kupferdraht heruntergezogen wird. Voraussetzung für einen guten stabilisierten Supraleiter ist, daß im Falle des Umspringens der Supraleitfähigkeit in die Normalleitung dem Strom an der Grenzfläche Niobband - Kupferdraht kein erhöhter Widerstand entgegengesetzt wird.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, einen Supraleiter herzustellen, bei dem die supraleitende Schicht mit dem Trägerkörper elektrisch gut leitend und mechanisch fest verbunden ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß gemäß der Erfindung ein (oder mehrere) Körper aus Niob in einen Tiegel mit flüssigem Kupfer eingebracht, so daß der (oder die) Niobkörper im Querschnitt allseitig von Kupfer umgeben ist (sind) und dieser Verbundkörper anschließend abgekühlt wird. Auf diese Weise ist es möglich, einen stabilisierten Supraleiter in einfacher Weise herzustellen, bei dem die Grenzflächen Kupfer - Niob metallurgisch miteinander verbunden sind, und zwar durch eine Diffusionsschicht zwischen dem Kupfer und dem Niob.

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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit besonderem Vorteil zur Herstellung langgestreckter Supraleiter verwenden. So ist es besonders vorteilhaft, den Verbundkörper strangzugießen. Auf diese Weise gelangt man zu relativ langen Verbundkörpern, die dann in nachfolgenden Arbeitsgängen auf den gewünschten Querschnitt geformt werden können. Dabei hat sich ein Verfahren als besonders zweckmäßig erwiesen, bei dem der Verbundkörper zunächst warmgewalzt, sodann geglüht und anschließend auf eine Bandstärke von unter 0,5 mm kaltgewalzt und abschließend weichgeglüht wird.

Das auf diese Weise hergestellte Blech weist im Innern eine äußerst dünne Niobschicht auf, die beispielsweise im Querschnitt des Verbundbleches ca. 10 % ausmacht. Durch das abschließende Glühen wird die Leitfähigkeit des Kupfers, die nach der Verformung verschlechtert war, wieder auf einen relativ hohen Wert gebracht. Zur Herstellung des Leiters eines Supraleiterkabels wird man das gewalzte Verbundblech nach Besäumung der Bandkanten kontinuierlich zu einem Rohr mit Längsnaht formen, an seinen Bandkanten verschweißen und anschließend wellen. Der auf diese Weise hergestellte Leiter ist aufgrund seiner Wellung äußerst flexibel. Der Innenraum des rohrförmigen Supraleiters kann dann zur Fortleitung eines Kühlmittels, beispielsweise flüssiges Helium, dienen. Die Verschweißung der Bandkanten macht keinerlei Schwierigkeiten, da die Breite des im Innern des Verbundbleches befindlichen Niobbandes geringer ist als die Breite des fertig besäumten Verbundtoleche.s. Bei der Erzeugung des stabilisierten Supraleiters auf dem Wege des Stranggießens wird man zweckmäßigerweise in den Gießtiegel einer Sttrangießanlage ein Niobband einbringen. Aus der Kokille tritt dann beispielsweise ein rechteckförmiger Kupferstrang aus, in dessen Querschnitt zentrisch ein Niobleiter gelagert ist.

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• «f.

Die Führung des Niobbandes innerhalb des Gießtiegels macht dabei keine besonderen Schwierigkeiten.

Die Erfindung ist anhand der in den Figuren 1 bis 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Von einer Vorratsspule 1 läuft ein Niobband 2 ab und wird mittels der Rolle 3 umgelenkt. Ein Rollenpaar k führt das Niobband 2, so daß es möglichst in der Mitte die Stranggießkokille 5 durchläuft. Aus dem Gießtigel 6 wird kontinuierlich flüssiges Kupfer nachgegossen. Der Absenkstempel, der die Kokille 5 vor dem Beginn des Gießens abschließt, ist mit 7 bezeichnet. Mit Hilfe dieser Vorrichtung gelingt es, Niob-Kupferverbundkörper von relativ großer Länge herzustellen. Die Querschnittsabmessung der Kokille 5 kann beliebig sein, jedoch wird man, wenn ein bandförmiger Supraleiter hergestellt werden soll, den Querschnitt der Kokille 5 rechteckig wählen. Die Breite des Niobbandes 2 ist dabei geringer als die senkrecht zur Zeichenebene stehende innere Abmessung der Kokille 5· Damit das Niobband 2 genau in der Mitte des gegossenen Verbundkörpers 8 gelegen ist, wird das Niobband vor dem Beginn des Gießens an dem Absenkstempel 7» beispielsweise durch Einklemmen, befestigt. Zur genaueren Führung können dann noch Führungsleisten oder, wie in der Figur dargestellt, Führungsrollen k vorgesehen sein.

Der auf diese Weise hergestellte Verbundkörper 8 wird dann in einem Walzwerk warmgewalzt und nach einer Glühung mittels eines Kaltwalzwerkes auf das gewünschte Maß heruntergewalzt.

In der Figur 2 ist ein derartiges Verbundblech im Schnitt dargestellt. Daraus ist zu sehen, daß das Niobblech 2 genau zentrisch in dem Verbundblech angeordnet ist, und zwar in der Weise, daß es nicht bis in die Bandkantenbereiche 10 und 11 vordringt. Das kaltgewalzte Verbundblech wird dann angelassen, wodurch die durch die Verformungen erzeugten Härtesteigeangen wieder rückgängig gemacht werden. Gleichzeitig wird dabei die Leitfähigkeit des Kupfers verbessert.

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Das weichgeglühte Verbundblech läßt sich, wie Figur 3 zeigt, in einfacher Weise zu einem Rohr formen. Das Verbundblech 12 läuft dabei von einer Vorratstronunel 13 ab und wird mittels einer nicht dargestellten Rohrformanlage zu einem Schlitzrohr geformt und mittels der Schweißeinrichtung 14 an seinen Bandkanten 10 und 11 verschweißt. In einer Wellvorrichtung 15 wird das so gebildete Rohr gewellt und auf eine Vorratstrommel 16 aufgetrommelt. Der rohrförmige Supraleiter 17 gestattet es, Supraleiterkabel von großer Länge herzustellen.

In der Figur k ist ein Tiefsttemperaturkabel mit konzentrischen Wellrohren dargestellt, in dem der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Supraleiter 17 bevorzugt Anwendung findet.

Das Kabel besteht aus einem gewellten Innenrohr, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. (Supraleiter 17) Das Innenrohr 17 ist von einem weiteren Wellrohr l8 konzentrisch umgeben, wobei der Zwischenraum mit einer sogenannten Superisolierung 19, beispielsweise einer Papierisolierung, die von flüssigem Helium durchflossen wird, ausgefüllt ist. Der Innenraum des Wellrohres 17 wird ebenfalls von Helium durchströmt. Das Wellrohr 18 ist von einem weiteren Wellrohr 20 umgeben, wobei der Zwischenraum zwischen diesen Rohren evakuiert ist. Auf dem Wellrohr 20 ist wiederum eine Superisolierung 21 angeordnet, auf der ein Wellrohr 22 liegt. Der Zwischenraum zwischen diesen Rohren wird von flüssigem Stickstoff durchströmt. Schließlich ist noch das Wellrohr 23 vorgesehen, dessen Innenraum wieder evakuiert ist. Ein solches Tieftemperaturkabel weist hervorragende thermische Isolierwerte auf und kann in großen Längen kontinuierlich hergestellt werden. Aufgrund der Wellung der Rohre ist es flexibel, kann thermische Ausdehnungen und Kontraktionen ohne zusätzliche Ausgleichselemente auffangen und kann auf Kabeltrommeln üblichen Durchmessers gewickelt und versandt werden.

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Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß es nunmehr gelungen ist, in einfacher Weise einen stabilisierten Supraleiter herzustellen, bei dem die Verbindung zwischen dem Niob und dem Kupfer so gut ist, daß der Stromübergang ohne größeren Widerstand vor sich geht. Darüber hinaus ist die Verbindung mechanisch so fest, daß Verformungen, wie Rohrformen,Wellen ohne Schwierigkeiten vorgenommen -werden können.

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Claims

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Λ·

Kabel- und Metallwerke Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft

1Λ. Febr. 197*1 Ansprüche

.jVerfahren zur Herstellung eines stabilisierten Supraleiters aus Kupfer und Niob, dadurch gekennzeichnet, daß ein (oder mehrere) Körper aus Niob in einen Tiegel mit flüssigem Kupfer eingebracht, so daß der (oder die) Niobkörper im Querschnitt allseitig von Kupfer umgeben ist (sind) und dieser Verbundkörper anschließend abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper stranggegossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper auf den gewünschten Querschnitt ggf. mit Zwischenglühung heruntergewalzt wird.
k. Verfahren nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper zunächst warmgewalzt, sodann geglüht und anschließend auf eine Bandstärke von unter 0,5 nun kaltgewalzt und abschließend weichgeglüht wird.
5· Verfahren nach Anspruch 3 oder k, dadurch gekennzeichnet, daß das gewalzte Verbundblech nach Besäumen der Bandkanten kontinuierlich zu einem Rohr mit Längsnaht geformt, an seinen Bandkanten verschweißt und anschließend gewellt wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, daß das gewellte Rohr geglüht wird.

7· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gießtiegel einer St» nggießanlage ein Niobband oder -draht eingebracht wird.

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