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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Gießen von Formteilen, die mindestens
einen Aufnahmebehälter
für geschmolzenes
Material aufweist, aus dem ein vorgegebenes Volumen des geschmolzenen
Materials über
eine Ausgussöffnung
in eine Kokille ausgegossen werden kann, wobei sich die Ausgussöffnung des
Aufnahmebehälters über eine definierte
Breite erstreckt und eine Abflusskante definiert und wobei eine
Anzahl Kokillen sowie Mittel vorhanden sind, mit der eine Relativbewegung
zwischen Aufnahmebehälter
und Kokillen erzeugt werden kann. Des weiteren betrifft die Erfindung
ein Verfahren zum Gießen
eines Formteils mit einer solchen Vorrichtung.
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Zum
Gießen,
beispielsweise von plattenförmigen
Elementen wie Anoden- oder Kathoden, sind Gießkarusselle bekannt. Die für das Gießen eingesetzten
Kokillen haben eine Kavität,
die der Form des zu gießenden
Formteils entspricht. Eine Anzahl Kokillen sind entlang einer Kreisbahn
um einen Aufnahmebehälter
herum angeordnet, in dem geschmolzenes Metall enthalten ist.
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Eine
vorbekannte Ausführungsform
eines solchen Gießkarussells
ist in 1 zu sehen. 1 zeigt
in perspektivischer Ansicht eine Gießvorrichtung 1. Die
Gießvorrichtung
hat einen Aufnahmebehälter 3,
der auf einem Tragelement 9 angeordnet ist, dessen Oberteil 10 kippbar
ausgebildet ist. Vor dem Gießvorgang
ist geschmolzenes Material bis zu einem definierten Pegelstand in
den Aufnahmebehälter 3 eingegossen
worden. Beim Kippen des Aufnahmebehälters 3 läuft das
geschmolzene Material über eine
Ausgussöffnung 4 aus
dem Aufnahmebehälter 3 aus
und ergießt
sich in die Kavität 8 der
Kokille 5, in der das Formteil 2 hergestellt wird.
Nach dem Zurückschwenken
des Aufnahmebehälters
wird neues geschmolzenes Metall in den Aufnahmebehälter 3 gegossen,
wofür eine
nicht dargestellte Vorrichtung eingesetzt wird.
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Die
Ausgussöffnung 4 hat
dabei eine an ihrem der Kokille 5 zugewandten Ende eine
Abflusskante 6, über
die die Schmelze in die Kavität 8 der Kokille 5 läuft. Die
Abflusskante 6 erstreckt sich dabei – zumeist geradlinig – über die
Breite B der Ausgussöffnung 4.
Beim Kippen des Aufnahmebehälters 3 fließt die Schmelze
also als flacher Strahl in die Kavität. Die Breite B der Ausgussöffnung ist
dabei nur unwesentlich kleiner als die Aufnahmebreite D der Kokille 5,
die im skizzierten Falle der Breite der herzustellenden Platte entspricht.
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Unmittelbar
nach dem Eingießen
der für
die Ausbildung des Formteils benötigten
Menge Schmelze wird eine neue, noch freie Kokille 5 nach
Art eines Karussells unter den Aufnahmebehälter 3 gefahren. D.
h. eine in 1 nicht dargestellte Drehvorrichtung bewegt
die in der Figur skizzierte Kokille 5 in Umfangsrichtung
U um die Drehachse A, so dass sie aus dem Bereich des Aufnahmebehälters 3 gerät; gleichzeitig
wird die nächste,
noch leere Kokille 5 in Position gefahren, d. h. in die
Stellung, die in 1 skizziert ist.
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Die
Fließrichtung
F der Schmelze vom Aufnahmebereich des Aufnahmebehälters 3 über die Ausgussöffnung 4 bis
in die Kokille 5 ist dabei in Richtung eines Radiusstrahls
des Karussells ausgerichtet.
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Das
Karussell dreht also getaktete eine Anzahl der kreisförmig um
den Aufnahmebehälter 3 herum
angeordnete Kokillen, so dass die einzelnen Kokillen nacheinander
mit Schmelze gefüllt
werden. Gefüllte
Kokillen sowie das sich in ihnen befindliche Material können Abkühlen, so
dass das Material erstarrt, bevor das Formteil 2 dann aus
der Kokille 5 entformt werden kann.
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Eine
solche Lösung
ist auch in der
DE 10218958
A1 beschrieben. Hier werden zwei nebeneinander angeordnete
Gießkarusselle
von einer zwischen Ihnen angeordneten Versorgungseinheit mit Schmelze
versorgt. Dabei werden abwechselnd zwei Aufnahmebehälter für Schmelze
von einer zentralen Zwischenmulde aus versorgt. Das Ausbringen der Schmelze
von den Aufnahmebehältern
erfolgt durch ein Kippen des Behälters,
wobei die Ausrichtung der Abflusskante des Aufnahmebehälters in
Richtung der Relativbewegung zwischen Aufnahmebehälter und Kokille
liegt, nämlich
in Tangentialrichtung an die Kreisbahn, die die Kokille beschreibt.
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Als
nachteilig hat es sich bei vorbekannten Gießkarussellen der erläuterten
Art herausgestellt, dass einer stets angestrebten Verringerung der
Taktzeit dadurch Grenzen gesetzt sind, dass die Drehbeschleunigungen
bzw. -verzögerungen
vorgegebene Grenzwerte nicht überschreiten
dürften.
Die einzelnen Kokillen 5 müssen präzise unter die Abflusskante 6 des
Aufnahmebehälters 3 gefahren
werden, wozu sich das Karussell getaktet jeweils um einen vorgegebenen
Winkel drehen muss. Unter der Abflusskante 6 muss das Karussell
anhalten, bis es nach dem Füllen
einer Kokille 5 um den genannten Drehwinkel weiterfahren
kann.
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Werden
Grenzwerte für
die Winkelbeschleunigung bzw. -verzögerung überschritten, kommt es zu unerwünschten
Schaukelrändern.
Das noch flüssige
Material in der Kokille muss beim Anfahren bzw. beim Abbremsen des
Karussells beschleunigt bzw. verzögert werden, was am seitlichen
Rand der Kavität 6 zu
einer Erhöhung
bzw. Erniedrigung der lokalen Füllhöhe führt, da
die Massenkräfte
des Materials sich gegen die Seitenwand der Kavität 8 abstützen müssen.
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Da
die zu gießenden
Formteile oft eine enge Formtoleranz haben müssen, ergeben sich aus den Schaukelrändern Probleme.
Bei der Herstellung von Anoden- oder
Kathodenplatten ist beispielsweise eine Anforderung, dass diese
eben, parallel und ohne Erhebungen gegossen werden müssen, um
eine optimale Belegung in der nachfolgenden Elektrolyse zu ermöglichen.
Die Schaukelränder
stellen diesbezügliche
Störungen
dar, die nur dadurch vermieden bzw. minimiert werden können, dass
die Drehbeschleunigungen bzw. -verzögerungen des Gießkarussells
gering gehalten werden. Dies erhöht
jedoch die Taktzeiten und verringert damit die Wirtschaftlichkeit
der Gießanlage.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
eingangs genannten Art sowie ein Gießverfahren so weiterzubilden,
dass sie bzw. dass es die genannten Nachteile überwindet, d. h. Schaukelränder sollen
im Betrieb der Gießanlage vermieden
werden, so dass die Formteile eine enge Formtoleranz einhalten.
Gleichzeitig soll eine kurze Zykluszeit erreichbar sein, so dass
die Ausstoßkapazität der Vorrichtung
maximiert werden kann.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe durch die Erfindung ist vorrichtungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Abflusskante und die Richtung
der Relativbewegung der Kokillen relativ zum Aufnahmebehälter einen
Winkel einschließt,
der zwischen 45° und
90° liegt.
Bevorzugt liegt ein rechter Winkel zwischen den beiden genannten
Richtungen vor.
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Das
Erfindungskonzept stellt also darauf ab, dass der Fluss der Schmelze
nicht – wie
im Stand der Technik – in
radiale Richtung des Gießkarussells
in die Kokillen erfolgt, sondern vorzugsweise quer hierzu. Wie noch
zu sehen sein wird, ermöglicht
dies eine Verfahrensweise, mit der die nachteiligen Schaukelränder zuverlässig verhindert
werden können.
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Eine
erste Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Aufnahmebehälter ortsfest
angeordnet ist und die Kokillen durch die Antriebsmittel bewegt werden.
Als Gießkarussell
ausgebildet, bewegen sich die Kokillen relativ zum Aufnahmebehälter auf einer
Kreisbahn.
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Um
ein turbulenzarmes Füllen
der Kokillen zu erreichen, kann vorgesehen werden, dass die Breite
der Ausgussöffnung
des Aufnahmebehälters geringfügig kleiner
ist als die Aufnahmebreite der Kavität der Kokille. Dadurch wird
die Schmelze in einem breiten Strahl in die Kavität der Kokille
gefüllt.
Mit Vorteil entspricht die Breite der Ausgussöffnung 60% bis 90% der Aufnahmebreite
der Kavität
der Kokille.
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Die
Kokille kann zum Gießen
eines im wesentlichen ebenen Formteils, insbesondere einer Platte,
ausgebildet sein. Dies kommt bei der Herstellung von Platten von
Anoden oder Kathoden, insbesondere aus Kupfer, zur Anwendung.
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Das
Verfahren zum Gießen
von Formteilen mit der erläuterten
Vorrichtung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Aufnahmebehälter relativ
zu den Kokillen so ausgerichtet wird, dass die Ausrichtung der Abflusskante
und die Richtung der Relativbewegung einen Winkel einschließt, der
zwischen 45° und
90° liegt – vorzugsweise
90° beträgt –, und dass
die Geschwindigkeit der Relativbewegung der Kokillen zum Aufnahmebehälter zumindest
weitgehend konstant gehalten wird.
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Die
erläuterte
Ausrichtung des Aufnahmebehälters
zu den Kokillen ermöglicht
die genannte Betriebsweise, dass nämlich eine stetige, kontinuierliche
Karussell-Drehbewegung
realisiert wird, was Schaukelränder
zuverlässig
verhindert.
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Die
Fließrichtung
des geschmolzenen Materials aus dem Aufnahmebehälter in Richtung der Abflusskante
und die Relativbewegung der Kokillen zum Aufnahmebehälter sind
bevorzugt gleichgerichtet. Die ermöglicht eine optimale, turbulenzarme
Füllung
der Kavität
mit Schmelze.
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Eine
besonders bevorzugte und automatisierte Verfahrensweise sieht folgende
Verfahrensschritte vor:
- a) Detektieren der
Position der Kavität
der Kokillen relativ zum Aufnahmebehälter;
- b) Starten des Ausgießens
von geschmolzenem Material aus dem Aufnahmebehälter in eine Kokille, sobald
oder kurz nachdem sich die Kavität
einer Kokille unterhalb der Abflusskante befindet;
- c) Beenden des Ausgießens
von geschmolzenem Material aus dem Aufnahmebehälter in die Kokille, sobald
oder kurz bevor die Kavität
der Kokille den Bereich der Abflusskante verlässt.
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Mit
besonderem Vorteil wird das Ausgießen von geschmolzenem Material
so gesteuert oder geregelt, dass zwischen dem Start des Ausgießens gemäß Schritt
b) und dem Beenden des Ausgießens gemäß Schritt
c) ein zumindest weitgehend konstanter Volumenstrom geschmolzenen
Materials vom Aufnahmebehälter
in die Kokille fließt.
Das Füllen
der Kavität
wird dadurch optimiert.
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Zum
Austragen der Schmelze aus dem Aufnahmebehälter kann – wie im Stand der Technik
bekannt – ein
Kippen des Aufnahmebehälters
erfolgen. Alternativ dazu ist es möglich, dass das Ausgießen der
Schmelze aus dem Aufnahmebehälter
durch Verdrängen
von geschmolzenem Material aus dem Aufnahmebehälter durch einen Verdrängungskörper erfolgt.
Hiermit kann ein gut steuerbarer und präzise einhaltbarer Volumenstrom
erreicht werden.
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Mit
der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren wird zuverlässig erreicht,
dass die nachteiligen Schaukelränder
an den zu gießenden
Formteilen verhindert werden. Dennoch kann die Taktzeit der Anlage
gering gehalten werden, so dass sie sehr wirtschaftlich arbeitet.
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Der
Erfindungsvorschlag kommt besonders beim Gießen von Anoden und Kathoden
aus Kupfer zum Einsatz, die damit sehr effizient hergestellt werden
können.
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In
der Zeichnung ist neben einer vorbekannten Lösung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 in
perspektivischer Ansicht eine Vorrichtung zum Gießen einer
Kathode gemäß dem Stand
der Technik,
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2 in
perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt eines Gießkarussells,
nämlich
eine Ausführungsform
einer Vorrichtung zum Gießen
einer Kathode gemäß der Erfindung,
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3 die
Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 2 und
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4 die
Seitenansicht der Gießvorrichtung gemäß 2.
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In
den 2 bis 4 ist eine Vorrichtung 1 zum
Gießen
dargestellt, die zum Herstellen eines Formteils 2 in Form
einer Kathodenplatte aus Kupfer dient. Die Vorrichtung 1 ist
als Gießkarussell
ausgebildet, d. h. eine Anzahl Kokillen 5, 5', 5'', 5''' sind um eine
Karusselldrehachse A herum angeordnet und werden durch nur teilweise
dargestellte Mittel 7 zum Bewegen um die Drehachse nach
Art eines Karussells bewegt. Dies ist schematisch in 2 angedeutet,
wo zu sehen ist, wie sich das Karussell um die Drehachse A in Umfangsrichtung
U drehen kann. Damit werden die einzelnen Kokillen 5, 5', 5'', 5''' nacheinander
gefüllt.
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Zum
Befüllen
der einzelnen Kokillen 5, 5', 5'', 5''' dient
ein Aufnahmebehälter 3,
in dem schmelzflüssiges
Material zum Gießen
des Formteils 2 enthalten ist, vorliegend also Kupferschmelze.
Der Aufnahmebehälter 3 kann
um eine Schwenkachse S gekippt werden, so dass Schmelze über eine
Ausgussöffnung 4 in
die Kavität 8 der
Kokille 5, 5', 5'', 5''' fließen kann.
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Die
einzelnen, baugleichen Kokillen 5, 5', 5'', 5''' weisen jeweils
eine Kavität 8 auf,
die der Form des zu gießenden
Formteils 2 entspricht. Die Kokillen 5, 5', 5'', 5''' mit im Ausführungsbeispiel
plattenförmigen
Kavitäten 8 sind
so ausgerichtet, dass die Längsachse
der Kavität 8 in
radiale Richtung des Karussells zeigt, d. h. zur Drehachse A hin.
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Bei
einer Drehbewegung des Karussells in Umfangsrichtung U ergibt sich
für eine
Kokille 5, 5', 5'', 5''', dass sie sich
in eine Richtung R bewegt, die tangential zur radialen Richtung
(Richtung zur Drehachse A) liegt. Diese Richtung entspricht bei
ortsfest angeordnetem Aufnahmebehälter 3 der Relativbewegung
v zwischen Aufnahmebehälter 3 und
Kokillen 5, 5', 5'', 5'''.
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Das
Ende der Ausgussöffnung 4 des
Aufnahmebehälters 3 wird
durch eine Abflusskante 6 gebildet, über die die Schmelze senkrecht
nach unten in die Kavität 8 der
Kokillen 5, 5', 5'', 5''' ausfließt. Die Abflusskante
ist vorliegend geradlinig ausgebildet, sie kann grundsätzlich jedoch
auch leicht gekrümmt sein.
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Wesentlich
ist, dass die Ausrichtung K der Abflusskante 6 unter einem
Winkel α zur
Richtung R der Relativbewegung v liegt, der zwischen 45° und 90° beträgt. Bevorzugt
liegt er – wie
im Ausführungsbeispiel – bei 90°.
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D.
h. die Fließrichtung
F des geschmolzenen Materials vom Aufnahmeraum des Aufnahmebehälters 3 in
die Kavität 8 der
Kokille 5, 5', 5'', 5''' fluchtet im
wesentlichen mit der Richtung R der Relativbewegung v, wie es aus
den Figuren hervorgeht, wenn man einmal von einem geringen Winkel
zwischen der Fließrichtung
F und der Richtung R absieht, wie er sich in der Seitenansicht gemäß 4 ergibt.
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Wie 3 entnommen
werden kann, ist die Breite B der Ausgussöffnung 4 des Aufnahmebehälters 3 etwas
kleiner als die Aufnahmebreite D der Kokille 5, 5', 5'', 5'''. Sie wird – ohne ein
seitliches Überschwappen
befürchten
zu müssen – im Bereich
zwischen 60% und 90% der Aufnahmebreite D optimal liegen. Dann nämlich wird
das geschmolzene Material mit breitem Strahl in die Kavität 8 „gelegt", insbesondere wenn
die Drehrichtung R des Karussells und die Fließrichtung F gleichgerichtet
sind. Die Kavität 8 kann
dadurch turbulenzarm befüllt
werden.
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Im
Unterschied zu vorbekannten Lösungen ist
es möglich,
eine stetige, kontinuierliche Drehbewegung des Karussells zu realisieren.
Das bedeutet, dass es zu keinen Drehbeschleunigungen des Karussells
um die Drehachse A kommt. Ein Schaukeln des noch schmelzflüssigen Materials
in der Kavität 8 der
Kokille 5, 5', 5'', 5''' wird damit
verhindert. Ein ständiges
Abbremsen und Wiederanfahren des Karussells kann also aufgrund der
Erfindung vermieden werden.
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Mittels
einer geeigneten Sensorik kann erfasst werden, wann die Eingussöffnung der
Kavität 8 unterhalb
der Abflusskante 4 liegt. In Abhängigkeit davon kann mittels
einer nicht dargestellten Steuer- oder Regeleinrichtung die Schwenkbewegung
des Aufnahmebehälters 3 veranlasst
werden, so dass genau in dem Zeitfenster, innerhalb dessen sich
die Kavität 8 unter
der Abflusskante 4 befindet, ein Fluss von Schmelze in
die Kavität
erfolgt. Bevorzugt geschieht dies mit konstantem Volumenstrom (Schmelzevolumen
pro Zeit), wodurch die Turbulenz in der Schmelze minimiert wird.
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Wie
in 3 zu sehen ist, wird die Schmelze entlang der
längeren
Seite der rechteckigen Kavität 8 eingegossen.
Dadurch kann die Breite B größer ausgebildet
sein, als dies der Fall wäre,
wenn über
die kürzere
Seite des Rechtecks eingegossen würde. Die gewählte Lösung hat
zur Folge, dass sich eine ruhigere Strömung beim Ausgießen ergibt,
was die Endgeometrie des Formteils weiter verbessert.
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Mit
der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem zum Einsatz kommenden Verfahren
wird die Qualität
der gegossenen Formteile wesentlich erhöht. Schaukelränder werden
vermieden, so dass die gegossenen Teile näher an der idealen Form liegen.
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- 1
- Vorrichtung
zum Gießen
- 2
- Formteil
- 3
- Aufnahmebehälter
- 4
- Ausgussöffnung
- 5
- Kokille
- 5'
- Kokille
- 5''
- Kokille
- 5'''
- Kokille
- 6
- Abflusskante
- 7
- Mittel
zum Bewegen (Karussell)
- 8
- Kavität
- 9
- Tragelement
- 10
- Oberteil
- B
- Breite
der Ausgussöffnung
- v
- Relativbewegung
zwischen Aufnahmebehälter
und Kokillen
- K
- Ausrichtung
der Abflusskante
- R
- Richtung
der Relativbewegung
- α
- Winkel
- D
- Aufnahmebreite
der Kokille
- F
- Fließrichtung
des geschmolzenen Materials
- U
- Umfangsrichtung
- A
- Drehachse
- S
- Schwenkachse