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Verfahren und Vorrichtung zum aufeinanderfolgenden Giessen gleicher Metallmengen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Giessen von Metallen in Formen. Insbesondere befasst sich die Erfindung mit einem Verfahren zum Giessen praktisch stets gleicher Mengen geschmolzenen Metalls aus einem Behälter in die Formen. Bei der Massenherstellung von Gussstücken in Dauerformen ist es erforderlich, genau festgelegte Mengen des von Schlacke und Oxyden be freiten Metalls knapp aufeinanderfolgend in die Formen zu vergiessen. Da alle Gussstücke gleiche Gestalt und gleiches Gewicht besitzen sollen, ist es wichtig, dass in jede Form die gleiche Metallmenge eingebracht wird. Mit jeder Metallaustragung, beispielsweise aus einem Schmelzofen senkt sich der Metallspiegel.
Damit eine gleichmässige Metallausbringung gesichert ist, muss entweder derofenstärker ge- kippt werden oder es muss in anderer Weise für die Einhaltung des gleichen Giessniveaus Sorge getragen werden.
Die Erfindung befasst sich mit der Aufgabe, den Metallspiegel im Behälter derart einer Kontrolle zu unterwerfen, dass bei der allmählichenEntleerung des Behälters praktisch stets gleiche Metallmengen vergossen werden. Dieses Ziel wird erfindungsgemäss durch eine Änderung der Giesszeit oder des Giessdruckes oder beider Grössen für jeden Metallaustrag erreicht. Da die jedesmal zu vergiessende Metallmenge im Verhältnis zu der anfänglich im Metallbehälter vorhandenen Metallmenge klein ist, so ist auch die notwendige Anpassung der Giesszeit oder des Giessdruckes für jeden einzelnen Guss entsprechend klein ; dieselbe muss daher sehr genau bemessen werden.
Diese Anpassung erfolgt automatisch ; sie kannin, verschie- dener Weise durchgeführt werden u. zw. entsprechend der Anzahl der jeweils vorhergegangenen Austragungen, dem jeweiligen Niveau des geschmolzenen Metalls im Behälter, sowie der jeweilig zu vergie- ssenden Metallmenge unter Berücksichtigung der vorhergegangenen Metallaustragung.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen erläutert. Fig. 1 ist ein senkrechter Querschnitt durch einen Ofen, welcher geschmolzenes Metall enthält. Fig. 2 ist ein senkrechter Schnitt nach der Linie 2 - 2 der Fig. 1. Fig. 3 ist ein senkrechter Schnitt durch einen Ofen anderer Bauart. Fig. 4 - 6 zeigen schematisch den Betrieb des Ofens gemäss Fig. 1 und 2. Fig. 7 und 8 sind graphische Darstellungen zur Erläuterung des Ofenbetriebes, und Fig. 9 urd 10 stellen die Vorder- und Seitenansicht des Ofens dar.
Die in fig. l und 2 dargestellte Giessvorrichtung 11 für Metall besteht im wesentlichen aus dem Ofen 12, in welchem das Metallbad 13 auf einer gewünschten Temperatur gehalten wird. Der Ofen ist beispielsweise mit einer Induktionsspule 16 zur induktiven Beheizung der Schmelzkanäle 17,18 und 19 versehen und zweckmässig mit selbsttätigen Temperatur-Kontrolleinrichtungen ausgestattet. Er ist oben offen und besitzt einen Deckel 22, welcher den Ofenraum mittels der. Dichtung 23 luftdicht abschliesst.
Der Deckel kann mittels der Schrauben 24 in der Schliess-Stellung gehalten werden.
Ein Gebläse 10 (Fig. 2) ist mittels der Leitung 15 mit dem Ofen verbunden. Zwei magnetgesteuerte Hähne dienen der Regulierung der durch das Gebläse 10 zugeführten Luft. Die Ventile 20 und 25 sind so eingestellt, dass das eine offen ist, wenn das andere geschlossen ist. Das Ventil 20 ist durch ein Rohr mit der Aussenluft verbunden. Anstatt Luft können auch andere geeignete Gase als Druckmedien verwendet werden.
Der Ofen 12 ist mit dem Vorbau 28 versehen und besitzt in der einenSeitenwand eine Ausbuchtung 29, die eine Öffnung 31 hat. Der abnehmbare Deckel 32 schliesst die Öffnung 31 ab und besitzt einen
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Flansch 33, welcher mit der Otenwandung durch Bolzen 34 verbunden ist. Der Deckel hat ferner einen metallischen Mantel, der einen Vorsprung 37 umgibt, welcher zur Horizontalen geneigt ist. Er hat ein feuerfestes Futter 38 und eine Öffnung 41, in welcher sich das Giessrohr 42 befindet. In der Betriebsstellung befindet sich das untere Enue des Giessrohres unterhalb des Metallspiegels. Dieses Giessrohr führt durch den Metallspiegel und mit dem oberen Ende zur Aussenseite des Deckels 32.
Die Achse x - x des Giessrohres ist gegen die Horizontale in einem Winkel von 15 bis 600 geneigt. der in der Zeichnung gezeigte Winkel beträgt 26033'. Am Giessrohr 42 befindet sich am oberen Ende ein Auslass für das flüssige Metall und am unteren Ende ein Einlass.
Am EinlaBende des Giessrohres, also unterhalb des Badspiegels ist eine Verengung 46 angebracht.
Diese dient zur Regulierung der Geschwindigkeit des Metallflusses im Giessrobi 42. Sie führt dazu, dass das Metall das Giessrohr 42 gleichmässig durchfliesst, unabhängig von etwa sich ansetzenden Verunreinigungen im oberen Teil des Giessrohres, der einen weiteren Querschnitt aufweist. Solche Verunreinigungen setzen sich im allgemeinen besonders dort ab, wo das Rohr abwechselnd dem Einfluss der Luft und
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gewöhnlichVerunreinigungen findet.
Praktische Erfahrung hat gezeigt, dass der untere Teil des Giessrohres, welcher dauernd in das Metallbad eintaucht, vollständig sauber bleibt, wahrscheinlich durch die hohe Geschwindigkeit, mit der das flüssige Metall durch die Verengung fliesst und jegliche VerTimieinigungen mitreisst, die sich etwa während einer Warmhaltezeit im unteren Rohrende angesammelt bahen könnten. Die Verengung 46 hat einen Durchmesser von 12 mm, während der Dmchmessei des uüiigen Giessrohres ungefähr 37 mm beträgt.
Durch die unterhalb des : Metallspiegels gelegene Verengung 46 wird die Geschwindigkeit des Metallflusses im schräg nach aufwärts gerichteten Giessrohr 42 verringert. Diese verringerte Geschwindigkeit des Metalles beim Ausfluss aus demGieBrohr 42 ist von grosser Bedeutung, weil eine Wirbelbildung vermieden wird, die während des Einfliessetts des Metalles in eine Kokille oder in die kalte Druckkammer einer Giessmaschine zum Einschluss von Oxyden und Luft irn Gussstück führen könnte.
Durch die Verengung 46 wird eine Druckabnahme in der Umgebung dieser Verengung am unteren Ende des Giessrohres 42 verursacht. Der durch das Gebläse 10 im Ofen erzeugte Druck muss genügend gross sein, um den Metallspiegel im Giessrohr 42 von seiner normalen Höhe 14 bis zum Ausflussniveau zu heben.
Das Giessrohr 42 besteht aus einem feuerfesten Material, welches dem Angriff durch das Metallbad oberhalb und unterhalb des Metallspiegels widersteht.
Das obere Ende des Giessrohres 42 wird nahe dem Ausgusseude durch die elektrische Widerstandsspule 51 beheizt.
Der Metallspiegel sollte möglichst nahe der Giesslippe 52 liegen, die durhden unteren bogenförmigen Teil des Auslasses gebildet wird. Wenn der auswechselbare Deckel 32 einschliesslich Giessrohr 42 und Spule 51 auf der Seite der Ausbuchtung 29 angebracht ist, so ist dei Ofen 12 zur Aufnahme des geschmolzenen Metallbades bereit.
Der Induktionsofen 12 ist mit einem feuerfesten Futter 53 versehen, dessen Aussenseite mit einer Wärmeisolierung überzogen ist. Auf der Aussenseite ist der Ofen mit Metallblech verkleidet. Wenn der Deckel 32 befestigt ist, so wird der Ofen 12 von den metallischen Aussenteilen vollständig eingeschlossen. Auf diese Weise wird eine genügende Luft-bzw. Gasabdichtung bewirkt, die durch die feuerfesten Teile 53, 54 und 38 allein nicht hinreichend gewährleistet wäre.
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welche das Metall durch das Giessrohr 42 gegossen wird.
Die Arbeitsweise der in den Fig. 1-3 gezeichneten Giessvorrichtung ist folgende : Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Ofen 12 wird nach Öffnung des Deckels 27 durch die Beschickungsöffnung 26 mit geschmolzenem Metall beschickt. Die Beschickung erfolgt bis zur Höhe des Metallspiegels 14. Die Deckel 22 und 27 werden aufgelegt, das Gebläse 10 wird in Betrieb gesetzt und während der gesamten Giessperiode in Betrieb gehalten. Die Ventile 20 und 25 werden so betätigt, dass das eine geschlossen und das andere offen ist. Wenn das Ventil 25 offen ist, so fliesst Luft vom Gebläse 10 in den abgeschlossenen Innenraum des Ofens 12 u. zw. in den Raum oberhalb des Metallspiegels 14. Die mit dem Ofen durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass es nur des Bruchteiles einer Sekunde bedarf, um einen genügenden Druck zu erzeugen und den Metallausfluss über die Giesslippe zu bewirken.
Sobald ein genügender Luftdruck im Ofen 12 erzeugt ist, wird das flüssige Metall durch das Giess1'Ohr 42 nach oben geführt und verlässt die Giesslippe 52 lnrichtung zurkaltkamnier 63. Wird das Ventil 20 geöffnet, so wird das Ventil 25 gesd1los- sen ; die Luft, welche sich oberhalb des Metallbades im Ofen befindet, wird abgeführt und dadurch der
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Ofen druckentlastet.
An Stelle des in Fig. 1 und 2 dargestellten Ofens kann auch der in Fig. 3 gezeigte Ofen 71 verwendet werden, der mit eiser Induktionsspule 72 versehen ist, um das geschmolzene Metall in der Kammer 74 zu erhitzen.
Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung arbeitet nach einem andern Prinzip als die in Fig. 1 und 2 ge- zeigten Öfen. In Fig. 3 wird keine Druckluft zur Beförderung des flüssigen Metalles benutzt, sondern ein sogenanntes elektromagnetisches Ventil, wie z. B. in der USA-Patentschrift Nr. 2, 707, 720 ausführlich beschrieben ist. Der Ausfluss des in der Kammer 74 befindlichen flüssigen Metalles durch das Giessrohr 42 wird unterbunden, wenn der Spule 73 Strom zugeführt wird und wird freigegeben, wenn die Stromzufuhr zu der Spule 73 unterbrochen wird. In dieser Ausführung nach Fig. 3 braucht kein Gasdruck auf den Metall- spiegel ausgeübt zu werden. Der Ofen 71 braucht deshalb auch keinen Deckel.
Das Metall wird durch hy- drostatischenDruck infolge der Differenz zwischen demMetallspiegel : "4 im Ofen und dem Spiegel an der
Giesslippe 52 herausbefördert. Der Ofen 71 ist mittels der hydraulischen Vorrichtung 75 um den Zapfen 76 kippbar.
Im folgenden wird die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens auf bekannte Ofentypenbe- schrieben. InFig. 4 ist ein. Metallbehälter 81 dargestellt, welcher eine feuerfeste Auskleidung 82 und eine
Kamm er 83 für das geschmolzene Metallbad besitzt. Das Giessrohr 85, dessen unteres Ende die Verengung
86 besitzt, reicht mit dem oberenEndc durch die Wand des Behälters 81 in die Nähe der Giessform 87. Der Behälter 81 enthält in der Kammer 83 das geschmolzene Metall 8, 1, dessen Spiegel 89 durch den unteren Rand der Ausflussöffnung des Giessrohres 85 bestimmt ist.
Bei fortschreitendem Giessen nimmt die Menge des geschmolzenen Metalles 84 allmählich ab, und die Badhöhe sinkt entsprechend. Durch das KOhr 9 (ì wird Pressluft in die Kammer 83 oberhalb des Badspiegels 89 eingeführt. Entsprechend diesem au: den Badspiegel ausgeübten Druck wird in einer gewissen Zeit eine vorbestimmte Menge Metall durch das Giessrohr 85 gepresst. Je niedriger der Metallspiegel, umso grösser ist die Zeit, die notwendig ist, um ein und dieselbe Metailmenge auszugiessen. Die Abhängigkeit der Giesszeit von der Lage des Metallspiegels wird weiter unten erläutert und ist weiterhin in den Kurven, ag. 7 und 8, dargestellt.
Das Metall verlässt das Giessrohr 85 inForm einer Parabel 84'undfliesstindie Giessform 87. Der Druck wird bei den in Fig. l und 2 dargestellten Öfen durch ein Gebläse hervorgerufen.
Der Metallausfluss kann mit Hilfe des Gebläses 10 (Fig. 2) oder des elektromagnetischen Ventlles (Fig. 3) oder einer Induktionsvorrichtung (Fig. 6) hervorgerufen werden. Bei der in Fig. 4 beschriebenen Ausführungsform derErfindung ist der Behälter 81 mit einem Deckel 91 versehen. Das Zuleitungsrohr 90 wird an ein Gebläse angeschlossen, von welchem Pressluft in den Behälter eingeführt wird. Mittels einer Kontrollvorrichtung 93 wird der Druck in der Kammer 83 geregelt. Für die Durchführung dieser Massnahmen ist ein Steuermechanismus vorgesehen, welcher von einer Stromquelle 94 mit Strom versorgt wird ; diese Stromquelle hat an dem einenEnde desGiessrohres85 einen Kontakt 96 (Fig. 4), der z.
B. aus Graphit bestehen kann und einen zweiten KontaKt 97 (Fig. 4). Wenn das Metall das Giessniveau erreicht, wird der Stromkreis 95 (Fig. 4) geschlossen ; hiedurch wird in dem Steuermechanismus 93 der normale Zyklus der Ausgussperiode ausgelöst, der den Druck am Ende desselben unterbricht. Als normaler Zyklus der Ausgussperiode kann die Zeitspanne verstanden werden, die jeweils abläuft vom Öffnen des Ventils 25 zur Herstellung des Druckes auf der Badoberfläche bis zur Entleerung der vorbestimmten Menge flüssigen Metalles' und der darauffolgenden automatischen Öffnung des Ventiles 20 zur Beseitigung des Druckes.
Druc kkontrolle : Das mit der Erfindung erstrebte Ziel lässt sich entweder dadurch erreichen, dass man das Gebläse 10 (Fig. 2) in zwei Stufen arbeiten lässt oder es zweiteilig ausführt, wobei ein Teil des Gebläses einen Druck liefert, der hinreichend ist, um das Metall auf der Höhe der Ausgussöffnung zu halten, während der andere Teil durch einen Zeitmesser so gesteuert wird, dass während der Ausgusspt ; riode, die für jeden Guss gleich bleibt, der erforderliche zusätzliche Druck geliefert wird.
Eine doppelte Druckbeaufschlagung lässt sich, gemäss Fig. 6, auch dadurch erreichen, dass man zu einer elektrischen Haltekraft, die ausreichend ist um das Metall zur Ausgusslippe zu heben, eine zusätzliche elektrische Ausgusskraft hinzufügt, die durch eine Induktionspumpe an sich bekannter Bauart bewirkt wird.
Der Druck kann allerdings auch mit einem einstufigen Gebläse Änderungen unterworfen werden. Dafür ist es notwendig, das Gebläse 10 (Fig. 2) mit einem Motor anzutreiben, der eine veränderliche Drehzahl hat. Damit wird eine Änderung sowohl de Leerlaufdruckes als auch des Ausgussdruckes erzielt. Die Differenz zwischen den einzelnen Ausgussstufen kann auch dadurch kompensiert werden, dass man die der Induktionspumpe (Fig. 6) zugeführte elektrische Kraft entsprechend ändert. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, den Ofen zu neigen (Fig. 3).
Zählung : In den Kurven der Fig. 7 und 8 bedeuten T die Zeit in Sekunden, X den vertikalen Ab-
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stand zwischen Metallniveau und Giessrohrlippe, W dasGewichtdesMetallaustragesundkg/cm den Gas- druck. Es ist daraus ersichtlich, dass bei gleichbleibendem Druck die Ausgusszeit T proportional der Senkung X des Metallspiegels ist. Es ist daher nur notwendig, die aufeinanderfolgenden Ausgüsse zu zählen und nach jedemAueguss, oder gegebenenfalls nach einer bestimmtenAnzahl von Ausgüssen, den Zeitmesser entsprechend zu verstellen. Der Steuermechanismus 93 (Fig. 6) kann ein Zeitmesser sein, der mit einem Zählwerk 106 üblicher Bauart verbunden ist, das den Zeitmesser 93 nach jedem Ausguss verstellt.
Mittels der Schaltvorrichtung 107 werden Zählwerk und Zeitmesser in solcher Weise betä : igt, dass zuerst der Zeitmesser 93 durch das Zählwerk gesteuert und darauffolgend der Stromkreis geschlossen wird, der durch die Induktionsspule 108 fliesst..
Zeitmessung : Der Kontrollmechanismus 93 kann als elektrischer Zeitmesser ausgebildet sein, welcher es gestattet, während genau bemessener Zeiträume einen bestimmten konstanten Druck auf den Metallspiegel auszuüben. Da die Gussdauer kurz ist. ist auch die zusätzliche Zeit bei jedem folgenden Ausguss sehr kurz. Der Steuermechanismus des Zeitmessers 93 muss daher sehr empfindlich sein. Wenn die Ofenkammer eine prismatische Gestalt hat, d. h., wenn der Querschnitt des Ofens in verschiedenen Höhen derselbe ist, und wenn ferner die Gussmenge die gleiche bleibt, so muss das Niveau in gleichen Zeiträu men stets um dieselbe-Menge abnehmen. Die Proportionalität zwischen Zeitdauer und Gusszahl wird für jeden Guss durch die Formel
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a + bndeutet.
Für die Ausführungsformen nach den Fig. l, 2 und 4 kann die Zeitdauer gemäss nachstehender empirischer Formel berechnet werden :
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W das Gewicht jedes Metallaustrages ist, s die Metalldichte, D der Ausgussdurchmesser des Giess-
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von der Lipp ? des Giessrohrausgusses.
Diese Formel kann vereinfacht werden zu
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K1, K2,K3undK4konstanteWertesind.
Die genannten Gleichungen stellen nur annähernde Werte dar ; sie werden aber ideale Ar1) eitsbedin- gungen anzeigen, wenn ein hoher Druck, ein kleiner Winkel α und ein kleiner Rohrdurchmesser D angewendet werden.
Die Kurven gemäss Fig. 7 und 8 beruhen auf der Formel (1), u. zw. für Aluminium (Fig. 7) und Zink (Fig. 8).
Messung der Metallhohe : Die Zeitspanne für die einzelnen Ausgüsse kann auch durch Messung der jeweiligen Höhe des flüssigen Metallspiegels 89 und Steuerung einer Einrichtung in Abhängigkeit von dem Messresultat reguliert werden. Diese Einrichtung veranlasst im Zeitmesser eine entsprechende Verlängerung der Zeitspanne für den nachfolgendenAusguss, während welcher Zeitspanne der eriorderliche Druck vom Gebläse in den Ofenraum ausgeübt wird.
'Ein ähnliches Ergebnis kann fernerhin durch Kontrolle der Lageänderung des Badspiegels mit Hilfe
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Material von hohem Widerstand bestehen und im Stromkreis 101 liegen, erstrecken sich durch die ganze Badtiefe. Der Widerstand der Stäbe 103 und 104 wird sich verändern, wenn der Spiegel 89 seine Stellung ändert. Ein ähnliches Ergebnis lässt sich schliesslich auch erzielen, wenn man gemäss Fig. 9 und 10
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