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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur anpassungsfähigen Prozesssteuerung für die Herstellung
von Gusseisen, insbesondere von GJV und GJS, und zur Berechnung
der Zugabemengen in Schmelzen, insbesondere Eisenschmelzen, in die eine
Legierung eingebracht wird, die als Behandlungsmittel zumindest
Magnesium und ein weiteres Metall sowie ein Impfmittel enthält.
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Es
ist bereits bekannt (
DE19916234C2 ),
einen Fülldraht
(Drahtinjektion) zur Behandlung von Schmelzen, insbesondere Eisen-
oder Stahlschmelzen, mittels Drahtinjektion einzusetzen. Der Fülldraht besteht
aus einem äußeren Mantel
aus Metall und einem Füllmaterial,
wobei das Füllmaterial
wenigstens ein erstes pulverförmiges
oder körniges
Behandlungsmittel und ein zweites Behandlungsmittel aufweist. Um
einen Fülldraht
zur Verfügung
zu stellen, bei dem eine gleichmäßige Verteilung
der Behandlungsmittel über
die Länge
des Fülldrahts
in jedem Fall gewährleistet
und eine Entmischung sicher verhindert werden kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass das zweite Behandlungsmittel in Form wenigstens eines massiven
Innendrahts aus Vollmaterial vorliegt. In einer Ausführungsform
besteht der Mantel aus Stahl. Der Mantel kann aber auch aus anderen
Materialien, insbesondere Cu oder Aluminium, und daher auch aus
dem Material der zu behandelnden Schmelze bestehen. Das erste oder
zweite Behandlungsmittel und/oder die Beschichtung kann Kalzium,
Blei, Schwefel, Tellur, Bor, Kohlenstoff, Chrom, Mangan, Magnesium,
Silizium, Niob, Titan, Vanadium, Eisen oder Zirkon und/oder Legierungen dieser
Elemente und/oder Verbindungen mit weiteren Elementen aufweisen.
Bei dem bekannten Verfahren sind zweistufige Behandlungsmethoden
und somit sehr lange Prozesszeiten mit den damit verbundenen Korrekturen
erforderlich, da die Behandlung der Metallschmelze, nachfolgend
Schmelze genannt, im Wesentlichen vorgelagert ist und die Behandlung
der Schmelze in der Transportpfanne und dann mit Hilfe der Drahtinjektion
im Vergießofen
erfolgt. Es treten ferner hohe Nutzungsverluste an den automatischen Formanlagen
auf. Ferner sind bei diesem zweistufigen sehr langen Herstellungsverfahren
Korrekturen erforderlich und daher auch die Temperaturverluste und
der Verbrauch von Behandlungsmitteln sehr hoch.
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Aus
der
DE 44 80 476 T1 ist
ein Verfahren zur verbesserten Prozesskontrolle für Gusseisengegenstände aus
Vermikulargraphit bekannt. Nach Entnahme wenigstens einer Probe
von geschmolzenem Gusseisen, welche in einem mit dieser in einem
thermischen Gleichgewicht mit einer Temperatur oberhalb der Kristallisationstemperatur
stehenden Behälter
gehalten wird, wird die zeitabhängige
Temperaturänderung
in dem geschmolzenen Gusseisen gemessen, welche zur Feststellung
der Struktureigenschaften und des Graphitbildungspotentials des Gusseisens
verwendet wird, wobei bei Abweichung dieser von entsprechenden bekannten
Struktureigenschaften und Graphitbildungspotentialen der Anteil
von Graphitbildungspotential-regulierenden Agenzien und/oder Graphitform-modifizierenden Agenzien
und/oder zugegebenem Impfungsagenz in einem vorbestimmten Verhältnis mit
der Abweichung oder den Abweichungen eingestellt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von direkt
gießbaren
GJV- und GJS-Schmelzen in einem einstufigen Prozess zu erreichen
und hierzu die physikalischen Kennwerte und den Lunkerindex der
Gussteile innerhalb der vorgegebenen Prozessgrenzen optimal einzustellen,
wobei der Zustand des Eisens kontinuierlich bewertet und die exakten
Zugabemengen automatisch berechnet werden, um die ermittelte Menge
in die Schmelze eingeben zu können.
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Gelöst wird
die Aufgabe erfindungsgemäß durch
ein Verfahren zur anpassungsfähigen
Steuerung der Legierungszusammensetzung von Gusseisen in Vergießöfen, insbesondere
von GJV und GJS, durch Berechnung der Zugabemengen und Zugabe von
Formierungsmitteln und Basiseisen, in die Schmelze (3)
des Gießofens
(1), umfassend die Schritte
- 1.1 Bestimmung
der Menge der Schmelze (3) im Vergießofen (1) und der
Menge zuzuführendes Basiseisens
(11)
- 1.2 Berechnung der zu erwartenden physikalischen und mechanischen
Kennwerte, Festigkeitsindex sowie Lunkerindex der Schmelze (3)
mit Hilfe einer thermischen und chemischen Analyse,
- 1.3 Errechnen der für
die gewünschten
physikalischen und mechanischen Kennwerte benötigten in die Schmelze (3)
einzubringenden Formierungsmittel,
- 1.4 Eingeben des Formierungsmittels in den Einguss (2)
des Vergießofens
(1) und
- 1.5 Eingießen
des Basiseisens durch den Einguss (2), mit den Merkmalen
des Anspruchs 1.
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Hierdurch
wird eine Optimierung der physikalischen Kennwerte der Gussteile
und eine deutliche Verringerung der Lunkerneigung erreicht. Die Prozesszeiten
und die Prozesskosten werden hierdurch deutlich verringert. Die
optimale Bestimmung der Behandlungsmittel führt auch zu einer sehr hohen
Ausbringung des Mg im Fe.
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Hierzu
ist es vorteilhaft, dass nach einer jeden Ofenfüllung eine thermische Analyse
der Schmelze während
des Gießens
durchgeführt
wird und die sich daraus ergebenden Prozessdaten zur Bestimmung
der Formierungsmittel dienen, die der unmittelbar nachfolgenden
Ofenfüllung
zur Verfügung
gestellt werden können.
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Vorteilhaft
ist es auch, dass das gesamte Gewicht der Schmelze in einem Vergießofen (1) und/oder
in einer Transportpfanne ermittelt wird und die Schmelze mit Hilfe
eines thermischen Messverfahrens analysiert wird.
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Es
ist auch von Vorteil, dass während und/oder
nach dem Gießvorgang
die Istprozessdaten mit Zieldaten oder mit in einem Rechner abgelegten
Zieldaten verglichen und fortlaufend angepasst werden und danach
die Formierungsmittel festgelegt werden.
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Dazu
ist von Vorteil, dass die Bestimmung der Prozessdaten zumindest
die physikalischen, mechanischen und chemischen Kennwerte und und/oder
die Bestimmung der Kennwerte wie Festigkeitsindex und Lunkerindex
mit Hilfe der Ermittlung einzelner Abkühltemperaturkurven der Schmelze
(3) erfolgen.
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Hierzu
ist es auch vorteilhaft, dass die Bestimmung der physikalischen,
mechanischen und chemischen Kennwerte wie Festigkeitsindex und Lunkerindex
mit Hilfe der Ermittlung einzelner Abkühltemperaturkurven der Schmelze
erfolgen.
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Vorteilhaft
ist es, dass die thermische Analyse in einem oder mehreren getrennten
und geschlossenen Tiegeln der Messstation erfolgt und bei mehreren
Tiegeln jeder Tiegel ein anderes Ansprechmittel wie z. B. Impfmittel
enthalten kann.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass während
der Ermittlung der Prozessdaten die abzugießende Schmelze in eine Form
und die Zugabe der neuen Schmelze in den Vergießofen kontinuierlich erfolgt. Hierdurch
kann der Arbeitsprozess insgesamt verringert werden.
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Vorteilhaft
ist es hierzu auch, dass die ermittelten Prozessdaten aus der Analyse
der Schmelze vom Rechner unterstützt
kontinuierlich mit den Zieldaten verglichen, angepasst und zur Bestimmung der
nachfolgend zuzugebenden Formierungsmittel eingesetzt werden.
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Von
besonderer Bedeutung ist für
die vorliegende Erfindung, dass zur Bildung der Trennschicht zwischen
der Schmelze im Vergieß-
oder Druckvergießofen
und der noch unbehandelten, einzufüllenden Schmelze zumindest
in einen Einguss des Druckvergießofens zuerst das am Prozess
beteiligte Impfmittel und zuletzt das prozessneutrale Trennmaterial
eingegeben wird.
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Hierdurch
ist es möglich,
eine direkt gießbare GJV-
bzw. GJS-Schmelze
in einem Vergießofen
zu erzeugen. Der Prozess kann sehr schnell durchgeführt werden,
da auf die bisher notwendigen Prozessschritte verzichtet werden
kann. Durch die vorteilhafte Auswahl und die Art und Weise der Eingabe
der Legierungsbestandteile in die Schmelze wird eine hohe Prozesssicherheit
bei der Erreichung der physikalischen Kennwerte und des Lunkerverhaltens
der Gussteile erreicht. Weiterhin führt eine kontrollierte Reaktion
zu einem verringerten Verbrauch an Legierungsbestandteilen. Das
Behandlungsmittel erzeugt sehr geringe Schlackenmengen, so dass
das Abschlacken nur noch periodisch in längeren Zeitabständen durchgeführt werden
muss. Durch die hohe Wiederholbarkeit der gewünschten Istprozessdaten ist
man in der Lage, wie bereits erwähnt,
eine direkt gießbare
GJV- oder auch GJS-Schmelze in einem einstufigen Arbeitsprozess
in einem Vergießofen kostengünstig herzustellen.
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Hierzu
ist es vorteilhaft, dass die Formierungsmittel ein mehrlagiges Sandwich
wie Dreifach-Sandwich oder Vierfach-Sandwich bilden, das als unterste Trennschicht
zumindest ein Impfmittel auf FeSi-Basis, anschließend zumindest
ein Behandlungsmittel wie Metall und Mg und dann als oberste Lage
zumindest ein den Prozess der Schmelze nicht beeinflussendes Abdeckmittel
enthält.
Hierdurch wird eine vorzeitige Reaktion der Formierungsmittel mit der
Schmelze vermieden, die Prozesszeit verringert und unter anderem
auch ein gleichmäßiger Prozess der
Formierung der Schmelze im Vergießofen erreicht.
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Vorteilhaft
ist es auch, dass die oberste Schicht das Abdeckmittel ist, das
aus zerkleinertem Stahl wie Stahlgranulat oder Stahlkies besteht.
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Eine
zusätzliche
Möglichkeit
ist gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung, dass das Behandlungsmittel eine Legierung ist, die
in etwa 10% bis 50% Mg und zumindest einen weiteren Legierungsbestandteil wie
Cu, Ni, Sn oder ein Lanthanoid wie Cer enthält und in die Schmelze eingegeben
wird. Durch die vorteilhafte Zusammensetzung im Behandlungsmittel von
Mg und dem zusätzlichen
Metall, wird ein hohes Ausbringen erreicht und es tritt nur ein
geringer Verbrauch des Behandlungsmittels ein.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass die Legierung 15% bis 30% Mg und darüber hinaus
zumindest Cu oder ein anderes Metall enthält. Durch Einbringen des Trennmaterials
beispielsweise im Bereich des Eingusses des Druckvergießofens wird
zum Eisenspiegel und dem einzufüllenden
Eisen eine Trennschicht gebildet und daher eine vorzeitige Reaktion und
ein Abbrennen verhindert, so dass unter anderem auch die gewünschten
Prozessparameter sicher erreicht und eine hohe Prozesssicherheit
bei gleichzeitiger großer
Ausbringung des Mg bis zu 95% gewährleistet ist.
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Vorteilhaft
ist es hierzu auch, dass das Behandlungsmittel eine Legierung ist,
die in etwa 20% Mg und 80% Cu enthält und in die Schmelze eingegeben
wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung ist
schließlich
vorgesehen, dass die Legierung weitgehend unter Ausschluss von Sauerstoff
der Atmosphäre
in den Druckvergießofen
eingegeben wird, wobei die Behandlung und die Steuerung des Keimzustandes
und/oder die Modifikation der Legierungsbestandteile innerhalb des
Druckvergießofens
stattfinden.
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Von
besonderer Bedeutung ist für
die vorliegende Erfindung, dass als oberste Schicht oder als Abdeckmittel
ein Stahlgranulat bzw. Stahlkies vorgesehen ist, der beim Einguss
der Schmelze eine Trennschicht bildet. wobei das Mehrlagen-Sandwich beim Einfüllen des
Basiseisens in den Tiegel gedrückt
wird und das Formieren des Eisens erst in diesem stattfindet. Die
untere Trennschicht und die obere Schicht verhindern eine Reaktion
im Einguss, wobei als oberste Schicht oder als Abdeckmittel der
Einsatz von Stahlgranulat bzw. Stahlkies vorgesehen ist.
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Im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung
ist es von Vorteil, dass das zumindest aus Metall und Mg gebildete
Behandlungsmittel in einer Körnung
auf das Impfmittel bzw. Trennschicht aufgegeben wird. Hierdurch
werden, wie bereits erwähnt,
sehr geringe Schlackenmengen erzeugt. Ferner wird durch die metallurgische
Trennung die Behandlung der Schmelze durch den Einsatz von Legierungsbestandteilen
wie Cu und durch das Impfen von Fremdkeimen eine kontrollierbare
Reaktion im Vergießofen
erzielt. Cu ist als Perlitbildner im Eisen vorhanden, sein Anteil
in der Behandlungsmenge kann jedoch auf vorteilhafte Weise über den
Grundgehalt im Eisen eingestellt werden.
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Vorteilhaft
ist es ferner, dass vor Eingabe der Formierungsmittel wie Impfmittel,
Behandlungsmittel, Legierungsmittel, Abdeck- bzw. Trennmaterial,
das Gewicht der Schmelze im Vergießofen und in der Transportpfanne
ermittelt wird, d. h. es werden die Istprozessdaten unter anderem über die
thermische Analyse bestimmt und somit die Menge einzufüllendes
Basiseisen ermittelt und eine Analyse der Schmelze vorgenommen.
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Außerdem ist
es vorteilhaft, dass mit Bezug auf die Gesamtschmelze das Behandlungsmittel 0,03%
bis 0,09% Mg oder 0,005% bis 0,03% Mg enthält.
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Bei
der Herstellung des Werkstoffes GJV ist das enge Prozessfenster
0,005% bis 0,03% vorteilhaft, bei dem Werkstoff GJS das größere Fenster 0,03%
bis 0,09%.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
und das vorteilhafte Einbringen der Formierungsmittel in die Schmelze
wird eine Automatisierung der Behandlung, des Einbringens von Fremdkei men
und das Legieren möglich,
so dass durch Herabsetzen der Prozessdauer eine hohe Verfügbarkeit
der automatisch arbeitenden Formanlage erreicht wird. Der Arbeitsprozess
kann sehr schnell durchgeführt
werden, da auf die bisher üblichen
Prozessschritte verzichtet werden kann. Vorteilhaft ist auch die
sehr hohe Ausbringung des Mg, die zwischen 80% und 95% liegt.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und
in der Beschreibung erläutert
und in der Zeichnung dargestellt.
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Dabei
zeigen:
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1 den
Vergießofen
mit einem Mehrlagen-Sandwich im Einguss, Transportpfanne mit Basiseisen,
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2 eine
Prozessübersicht
mit Mess- und Auswertestation zur Berechnung der Formierungsmaterialen,
einer Betriebsmitteldosierungsanlage zur Bereitstellung der Mengen
und der Zugabe in den Einguss.
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In 1 ist
ein Vergießofen
mit den wesentlichen Funktionsteilen schematisch dargestellt, der auch
als Druckvergießofen 1 ausgebildet
sein kann. Der Druckvergießofen 1 weist
unter anderem einen Einguss 2, einen Ausguss 9 sowie
einen Tiegel 8 auf, in dem die Eisenschmelze, nachstehend
als Schmelze 3 bezeichnet, mit Hilfe des Induktors 10 auf
der erforderlichen Gießtemperatur
gehalten wird.
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Mit
dem nachstehend näher
erläuterten
erfindungsgemäßen Verfahren
ist eine prozesssichere Herstellung von direkt gießbaren GJV-GGV-
und GJS-GGG- Schmelzen möglich.
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Eine
neuere Werkstoffentwicklung ist ein Gusseisen mit Vermikulargraphit,
der nachstehend mit der Abkürzung
GJV oder GGV bezeichnet ist. Bei diesem Werkstoff liegt der Graphit
weder als Lamelle, noch als Kugel vor, sondern als Knoten bzw. als Würmchen.
Die mechanischen Eigenschaften dieses Werkstoffes liegen zwischen
dem Gusseisen mit Lamellengraphit und denen des Gusseisens mit Kugelgraphit.
Seine Herstellung ist jedoch schwierig und erfordert eine eng tolerierte
Schmelzbehandlung. Das Gusseisen mit Vermikulargraphit weist gegenüber dem
herkömmlichen
Grauguss (GG) eine deutlich höhere
Zugfestkeit auf. Seine Eigenschaften lassen beispielsweise in Zylinderblöcken höhere Drücke zu.
Gleichzeitig bietet GGV-Guss die Möglichkeit zur Gewichtsreduzierung,
so dass er auch in anderen Bereichen Gussteile für den Motorenbau eingesetzt werden
können.
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Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren (1)
erfolgt zuerst die Ermittlung der Istprozessdaten der Schmelze 3, 11 im
Vergießofen
während des
Abgießens,
die Berechnung der Formierungsmittel und anschließend das
Einfüllen
der einzelnen Materialien als Mehrlagen-Sandwich 4.1 in
den Einguss 2, wobei die untere und obere Trennschicht
des Mehrlagen-Sandwichs 4.1 zwischen der Schmelze 3 im
Tiegel 8 und dem einzufüllenden
Eisen 11 aus der Transportpfanne 12 eine vorzeitige
Reaktion und ein Abbrennen eines Behandlungsmittels 5 verhindert. Das
Formierungsmaterial 5 und das Abdeckmaterial 6 ist
in 1 als Trennschicht gekennzeichnet. Danach erfolgt
das Einfüllen
des Basiseisens 11 aus der Transportpfanne 12.
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Wie
aus der Zeichnung hervorgeht, bilden die Formierungsmaterialien 4.1,
wie oben erwähnt, das
dreilagige Sandwich. Anstelle des dreilagigen Sandwichs kann auch
ein mehrlagigeslagiges Sandwich eingesetzt werden, wobei die weiteren
Lagen z. B. aus weiteren Legierungsmitteln bestehen können, die
den Schmelzprozess günstig
beeinflussen. Die unterste Lage der Formierungsmaterialien 4.1 weist eine
Trennschicht 4 auf. Diese Trennschicht 4 dient gleichzeitig
als Stellhebel zum Einstellen des Keimhaushaltes des Eisens im Vergießofen 1.
Die Trennschicht 4 stellt ein Impfmittel dar und besteht
in vorteilhafter Weise aus einer Legierung auf FeSi-Basis oder einem
anderen Material.
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Das
Behandlungsmittel 5 kann aus einer Legierung bestehen,
die in etwa 10% bis 50% Mg oder 15% bis 30% Mg oder 10% bis 25%
Mg und darüber hinaus
zumindest Cu oder anstelle von Cu Ni, Sn oder ?? und auch anderes
Metall enthält,
wobei in einem später
noch erläuterten
Verfahrensabschnitt die Legierung in die Schmelze 3 eingegeben
bzw. eingespült
wird.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn das Behandlungsmittel 5, das in die Schmelze 3 eingegeben wird,
eine Legierung ist, die in etwa 20% Mg und 80% Cu oder ein anderes
Metall etwa in der gleichen Menge enthält.
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Vorteilhaft
ist es ferner, dass das z. B. aus Metall-Mg, CuMg, NiMg oder SnMg
oder dergleichen gebildete Behandlungsmittel 5 in einer
festgelegten Körnung
auf die Trennschicht 4 aufgegeben wird. Vor Eingabe der
Formierungsmittel 5 wird das Ofengewicht sowie die zuzuführende Menge
an Basiseisen 11 bestimmt und eine Analyse der Schmelze 3 vorgenommen.
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Die
dritte Lage ist das den Prozess der Schmelze nicht beeinflussende
Abdeckmittel 6, das aus zerkleinertem Stahl z. B. Stahlkies
oder Stahlgranulat bestehen kann. Diese drei Schichten bilden das Mehrlagen-Sandwich 4.1 mit
der Trennschicht 4 und dem Abdeckmittel 6.
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Das
unbehandelte Basiseisen 11 wird mit Hilfe der Transportpfanne
bzw. Gießpfanne 12 in
der erforderlichen Geschwindigkeit in den die Formierungsmittel 4,5 sowie
Abdeckmittel 6 aufweisenden Einguss 2 eingegeben
und trifft auf das Mehrlagen-Sandwich 4.1, so dass es unter
Ausschluss von Sauerstoff der Atmosphäre als Sandwich in den Tiegel 8 gespült oder
gedrückt
wird und erst dort reagiert.
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Das
Mehrlagen-Sandwich 4.1 bildet also die Barriere zwischen
dem Eisenspiegel 8.1 und dem mittels der Transportpfanne 12 einzugießenden Eisen,
die Trennschichten verhindern eine vorzeitige Reaktion des Behandlungsmittels 5 und
bewirken letztlich eine sehr gute Ausbringung des Mg bis zu 95%.
Somit wird, wie bereits erwähnt,
eine direkt gießbare
GGV- oder GGG-Schmelze in dem Vergießofen 1 durch einen
einstufigen Prozess ermöglicht.
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Die
Berechnung der Zugabemengen geschieht in folgenden Verfahrensschritten:
Nachdem
die vorgesehenen Formierungsmaterialien und das Abdeckmaterial 4.1 in
den Einguss 2 gegeben wurde, drückt oder spült das Basiseisen 11 das Mehrlagen-Sandwich 4.1 in
den Tiegel 8, so dass im Ofeninneren mit Hilfe des Mg das
Behandeln des Eisens stattfindet. Es kann nun mit Hilfe des speziellen Impfmittels
auf FeSi-Basis, der Keimhaushalt und mit Hilfe von möglichen
Legierungsmittel die chemische Endanalyse eingestellt werden.
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Gemäß 2 werden
während
des Abgießvorgangs
die erforderlichen Istprozessdaten der Schmelze 3 im Vergießofen 1 erfasst, über die
Vergleichsberechnung zu den Solldaten erfolgt die automatische Ermittlung
für die
Zugabemengen an Formierungsmaterialien 4.1. Zu den erforderlichen
Prozessdaten gehören
zumindest die Bestimmung des Festigkeitsindexes und des Lunkerindexes,
die mit Hilfe der einzelnen Abkühltemperaturkurven
der Schmelze 3 ermittelt werden.
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Aus
zumindest einem Silo oder auch aus zwei oder drei oder mehr kleinen
Silos 14, 15, 16 einer Dosierungsanlage 13 werden
die von einem Rechner 17 ermittelten Formierungs- 4, 5 und
Abdeckmaterialien 6, wie zuvor beschrieben, bereitgestellt
und in der erforderlichen Menge in den Einguss 2 abgegeben,
in dem, wie schon erwähnt,
das Mehrlagen-Sandwich 4.1 gebildet wird.
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Im
Silo 14 befindet sich z. B. das Impfmittel wie z. B. eins
auf FeSi-Basis, im zweiten Silo 15 das Behandlungsmittel 5 (Mg
+ Metall) und im dritten Silo 16 das Abdeckmittel 6.
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Das
Abgießen
der Schmelze 3 über
den Ausguss 9 erfolgt während
des Messverfahrens kontinuierlich. Mit Hilfe von Messvorrichtungen 17 wird
die thermische Analyse in zwei geschlossenen Tiegeln, werden das
Gewicht der Schmelze, die Gießtemperatur,
die verschiedenen anderen Parameter erfasst und eine chemische Analyse
der Schmelze 3 vorgenommen.
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Die
Bestimmung des Festigkeitsindexes und des Lunkerindexes für GJV kann
mit Hilfe der nachstehend beschriebenen thermischen Analyse erfolgen:
Für die mechanischen
Eigenschaften an gegossenen Bauteilen besitzt das Gefüge entscheidende
Bedeutung. Dieses Gussgefüge
wird während
der Kristallisation in Abhängigkeit
von der chemischen Zusammensetzung, der Abkühlgeschwindigkeit und des Keimhaushaltes
bestimmt.
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Die
Kenngröße ist der
Sättigungsgrad
bzw. das Kohlenstoffäquivalent.
Diese bestimmen die Lage der Gusseisenlegierung im Fe-C-Diagramm. Diese
Kenngrößen werden
durch Drittelemente beeinflusst. Weitere wichtige Größen sind
die Elemente, die das Grundgefüge
direkt beeinflussen und zwar sind dies die Perlitbildner.
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Die
Abkühlgeschwindigkeit
wird durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst, und zwar:
- a) das Verhältnis
Volumen zur Oberfläche
des Gussteiles,
- b) die thermophysikalischen Eigenschaften der Kern- und Formstoffe,
- c) den Wärmeübergang
vom Gusskörper
zur Form und den Wärmeinhalt
der Schmelze.
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Die
Bestimmung des Festigkeits- und des Lunkerindexes für GJV mittels
thermischer Analyse ist nachstehend erläutert:
Der Unterschied
der spezifischen Volumina fest-flüssig ist die Ursache für das Entstehen
von Volumenfehlern. Die Größe des Volumendefizits
ist in erster Linie abhängig
vom jeweiligen Gusswerkstoff. Bei der eutektischen Erstarrung wirkt
die Ausdehnung des sich ausscheidenden Graphits der Schrumpfung
des Austenits entgegen. Das bedeutet, dass in Abhängigkeit
von der chemischen Zusammensetzung, den Abkühlungsbedingungen und dem Keimhaushalt
die "Eigenspeisung" verbessert wird.
Damit die "Eigenspeisung" wirksam ist, muss
eine endogen schalenbildende Erstarrung vorliegen. Die Erstarrungsart wird
von der chemischen Zusammensetzung, dem Keimhaushalt und der Abkühlungsgeschwindigkeit beeinflusst.
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Die
thermische Analyse ist eine Methode zur Überprüfung der Qualität der Schmelze.
Sie beruht auf der Aufzeichnung des Zeit-Temperaturverlaufs bei
der Erstarrung der Schmelze und der Auswertung von markanten Punkten,
die bei der Kristallisation entstehen. Bei Unterschreitung der Liquidustemperatur
beginnt die Keimbildung und das Wachstum von Austenitdendriten in
der Schmelze. Durch das Dendritenwachstum wird Wärme freigesetzt. In der Kurve entsteht
ein Knickpunkt. Bei der weiteren Abkühlung wird die eutektische
Gleichgewichtstemperatur unterschritten. Unterhalb dieser Temperatur
bilden sich an in der Schmelze befindlichen Fremdsubstraten wachstumsfähige Keime.
Während
des folgenden Kornwachstums wird Wärme frei, die einen Wiederanstieg
der Temperatur der Schmelze (Rekaleszenz) zeigen kann.
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Die
Abkühlungskurve
zeigt damit immer die Wechselwirkung zwischen Wärmeentzug und der Entwicklung
und somit den Ablauf der Kristallisation.
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Durch
die thermische Analyse werden folgende Kenngrößen ermittelt:
- a) Kohlenstoffgehalt, Sc, CE-Wert,
- b) Neigung zur stabilen oder metastabilen Erstarrung,
- c) Abschätzung
von Gefüge
von GJS,
- d) Abschätzung
zum Keimhaushalt von GJL.
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Ermittlung
der Ergebnisdaten für
den Festigkeitsindex.
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Aus
den vorgeschrieben Bereichen der Gussteile werden die mechanischen
Kennwerte ermittelt.
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Die
Ergebnisdaten für
den Lunkerindex werden wie folgt ermittelt:
Über den
Erwartungsbereich des Volumendefizitfehlers wird mittels Röntgen oder
Kontrollschnitt die Größe der Fehlerfläche bestimmt.
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Über das
mathematische Modell der Auswertung der Abkühlkurve der Schmelze in den
Tiegeln 14, 15, 16 der Messstation 17 werden
Parameter mit einer hohen Korrelation der Prozessdaten zu den Ergebnisdaten
ermittelt. Die mathematische Verknüpfung dieser Teile ergeben
den Festigkeits- und den Lunkerindex.
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Die
Bestimmung des Festigkeitsindexes und des Lunkerindexes für GJV mittels
der thermischen Analyse geschieht nach folgendem Prozessablauf (1 und 2):
- 1. Abgießen
der Schmelze 3 in eine Form 19 und dabei Entnahme
der Schmelze 3 aus dem Ausguss 9 und Einfüllen in
einen oder mehrere kleine Tiegel der Messstation 17,
- 2. Vornahme der thermischen Analyse mit Hilfe der Messvorrichtung 17,
- 3. Übergabe
der ermittelten Daten an die Datenbank des Prozessleitrechners Messstation 17,
- 3. Auswertung der Istprozessdaten,
- 4. Berechnung des Festigkeits- und Lunkerindexes, Vergleich
mit den Sollprozessdaten, Berechnung der Zugabemengen an Legierungs-
und Formierungsmaterial 4.1
- 5. Bereitstellung des Formierungsmaterials 4.1 mittels
Dosieranlage 13
- 6. Transport der Transportpfanne 12 zum Vergießofen 1,
- 7. Einfüllen
der Formierungsmittel 4.1 bzw. der drei oder vier Lagen
in den Einguss 2,
- 8. Einfüllen
des Basiseisens 11 aus der Transportpfanne 12 in
den Einguss 2 des Vergießofens 1
Einspülen der
Formierungsmittel 4.1 in die Schmelze 3 gemäß 2,
- 9. weiter wie Punkt 1 und folgende.
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Die
Bestimmung des Festigkeitsindexes und des Lunkerindexes für GJV bzw.
GGV, GGG-Schmelzen mittels der thermischen Analyse geschieht für jede Füllung mit
Basiseisen 11 auf gleiche Weise wie beschrieben, so dass
eine sehr genaue Bestimmung der Menge bzw. eine Anpassung der Formierungsmittel 4.1 für nachfolgende
Chargen bzw. Schmelzen unter Berücksichtigung
der Zieldaten möglich
ist.
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Jeder
Tiegel der Messstation 17 kann, wie oben erwähnt, ein
anderes Ansprechmittel bzw. Impfmittel aufweisen.
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Die
ermittelten Werte bzw. Prozessdaten werden, wie bereits erwähnt, an
die Datenbank bzw. den Prozessleitrechner 17 weitergeleitet
und ausgewertet und stehen für
die Bestimmung bzw. Menge der Formierungsmittel 4.1 zur
Verfügung.
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Später erfolgt
ein kontinuierliches Abgleichen der Prozessdaten mit den vorgegebenen
Zieldaten, so dass das Verfahren fortlaufend angepasst bzw. optimiert
werden kann (lernendes System).
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Wie
bereits erwähnt,
werden aus den beiden ermittelten Temperatur-Abkühlkurven der Schmelze 3 in
den Tiegeln der Messstation 17 der Festigkeitsindex und
der Lunkerindex ermittelt. Hierzu werden über ein mathematisch optimales
Modell die Prozessdaten ermittelt und mit den Ergebnisdaten abgeglichen.
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Aufgrund
der ermittelten Parameter ist nun eine automatische Berechnung und
ein Abwiegen der einzelnen Formierungsmittel 4.1 bzw. die
automatische Ermittlung der Legierungsbestandteile möglich, die
in dem Mehrlagen-Sandwich 4.1 enthalten
sind. Danach erfolgt die automatische Zugabe der Formierungsmittel
zumindest als Dreifach-Sandwich 4.1 in
den Einguss 2. Dies geschieht unter Berücksichtigung des Ofen- bzw.
Transportkessel-Inhalts, so dass eine optimale Formierung der Schmelze 3 im
Vergießofen 1 möglich ist.
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- 1
- Vergießofen, Druckvergießofen
- 2
- Einguss
- 3
- Schmelze
- 4
- Trennschicht,
FeSi (Impfmittel)
- 4.1
- Pufferzone,
Pufferwerkstoff, Behandlungsmittel (entspricht Dreifach-Sandwich
auch Formatierungsmaterial)
- 5
- Behandlungsmittel,
Legierung bzw. Impfmittel
- 6
- Abdeckmittel
- 8
- Tiegel
- 8.1
- Eisenspiegel
- 9
- Ausguss
- 10
- Induktorheizung
- 11
- Basiseisen,
unbehandelte Schmelze
- 12
- Transportpfanne,
Gießpfanne
- 13
- Dosierungsanlage
- 14
- Silo
- 15
- Silo
- 16
- Silo
- 17
- Rechner
- 18
- Messvorrichtung
- 19
- Form