DE102007042537A1

DE102007042537A1 - Dosierofen und Steigrohr zur Abgabe von Metallschmelze

Info

Publication number: DE102007042537A1
Application number: DE102007042537A
Authority: DE
Inventors: Jens GLÜCKLICH
Original assignee: Strikowestofen GmbH
Current assignee: Strikowestofen GmbH
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-08
Also published as: PL2193001T3; EP2193001B1; DE102007042537B4; WO2009030513A3; EP2193001A2; WO2009030513A2; ES2389977T3

Abstract

Dosierofen mit Steigrohr (3) zur Abgabe von abgemessenen Portionen einer Metallschmelze, insbesondere flüssige Aluminiumlegierung. Das Steigrohr umfasst einen einlaufseitigen Drosselabschnitt (31) mit Einlaufdurchmesser (Di), einen Diffusorabschnitt (32) und einen Rohrabschnitt (33) mit Auslaufdurchmesser (Do). Die Innenoberflächen (30) von Drosselabschnitt (31), Diffusorabschnitt (32) und Rohrabschnitt (33) gehen ohne Kantenbildung glatt ineinander über.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dosierofen zur Abgabe von abgemessenen Portionen einer Metallschmelze, insbesondere flüssige Aluminiumlegierung, sowie auf ein Steigrohr zur Verwendung in dem Dosierofen.
Derartige Dosieröfen umfassen ein feuerfest ausgekleidetes Gehäuse, das eine Wanne für die Metallschmelze bildet, ferner ein Füllrohr zur Zuführung der Metallschmelze in die Wanne, ein Steigrohr zur Abgabe von Materialschmelzportionen und eine Druckzuführungseinrichtung zur Erzeugung eines Überdrucks im Inneren des Dosierofens zwecks Abgabe je einer Metallschmelzportion. Das Steigrohrinnere weist eine einlaufseitige Drossel, einen Diffusor und einen Rohrabschnitt auf. Dosieröfen werden dazu verwendet, unter anderem Druckgussmaschinen für Sandformen oder für Kokillen zu beschicken, d. h. deren Füllkammer mit einer Metallschmelzportion zu füllen. Dabei kommt es auf genau abgemessene Portionen der Metallschmelze an. Ist die Füllmenge zu klein, kann es in der Druckgussmaschine zu Beschädigungen kommen, weil der Druckkolben der Druckgussmaschine an der Füllkammerwand anschlägt. Außerdem wird das hergestellte Druckgussstück mangelhaft. Wenn die Metallschmelzportion zu groß ist, besteht die Gefahr, dass die aus einzelnen Teilen bestehende Druckgussform auseinander gepresst wird, was ebenfalls zu Beschädigung führen kann, jedenfalls aber unbrauchbare Druckgusswerkstücke liefert. Somit ist die genaue Bemessung der Metallschmelzportionen von ausschlaggebender Bedeutung.
Im Stand der Technik gibt es Steigrohre in Kalottenform bei der einlaufseitigen Drossel und in Konusform ( DE 20 2005 017110 U1 ). Bei den Steigrohren in Kalottenform kommt es zu Strömungsabrissen hinter der Drossel und damit zu Verwirbelungen in Toträumen, was den Durchsatz (Stromrate) an Schmelze vermindert. Bei Steigrohren in Konusform unmittelbar hinter der Drossel wird zwar die Gefahr der Totraumbildung herabgesetzt, jedoch ist die Genauigkeit der Abgabemenge der Metallschmelze dennoch nicht optimal. Beim Reinigen des Steigrohrs können außerdem diese Kanten in ihrer Lage leicht verändert werden, wenn zu wenig oder zu viel Material von der Steigrohrinnenwandung entfernt wird. Dies führt zu Veränderungen der Geometrie des Steigrohrs und damit zu Veränderung der Förderung der Schmelze nach Reinigung des Steigrohrs.
Steigrohre sind für unterschiedliche Bereiche von Metallschmelzportionen ausgelegt, d. h. mit unterschiedlichen Kalibern gebaut. Basierend auf einem jeweiligen Kaliber des Steigrohrs wird die Metallschmelzportion durch die Höhe und die zeitliche Dauer des Überdrucks im Dosierofen gesteuert. Ein Überdruck im Dosierofen kann sich deshalb aufbauen, weil das Steigrohr in die Metallschmelze eintaucht und die Drossel des Steigrohrs den Abfluss von Metallschmelze hemmt. Wenn sich ein konstanter Überdruck im Inneren des Dosierofens aufgebaut hat, kann die Steigrohrdrossel als eine Messblende angesehen werden, die einen im Wesentlichen konstanten Materialstrom hindurchlässt. Bevor es jedoch zu diesem konstanten Materialstrom kommt, gibt es Einschwingvorgänge des Materialstroms, die von vielerlei Parametern abhängen, welche nicht konstant gehalten werden können. Im zeitlichen Verlauf des Einschwingvorgangs kommt es zu Schwankungen des Materialstroms, die bis zu Überschwingvorgängen reichen können. Die Größe der Schwankungen kann sich von Mal zu Mal des Betriebs des Dosierofens ändern, was die genaue Dosierung der abgegebenen Metallschmelzportionen erschwert und ungenau macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Mängel zu vermeiden. Insbesondere soll ein Steigrohr angegeben werden, mit dem sich die Einschwingvorgänge bei der Abgabe einer Metallschmelzportion glätten lassen und praktisch einen aperiodischen Verlauf zeigen. Die Reinigung des Steigrohrs soll zu gleichbleibender Güte der geometrischen Form führen.
Die gestellte Aufgabe wird mit einem Steigrohr gelöst, dessen Innenoberfläche zwischen Drosselabschnitt, Diffusorabschnitt und Rohrabschnitt ohne Kantenbildung glatt ineinander übergehen, wobei eine stetige Änderung der Zunahme des Innendurchmessers im Bereich des Diffusorabschnitts erfolgt.
Im Einzelnen geht der einlaufseitige Drosselabschnitt kantenlos, mit einem ersten Abrundungsradius in den Diffusorabschnitt über, und der Diffusor geht kantenlos, mit einem zweiten Abrundungsradius in den Rohrabschnitt über. Die Abrundungsradien sind groß gegenüber dem Einlaufdurchmesser oder dem Auslaufdurchmesser gewählt. „Groß" bedeutet hier „um nahezu eine Größenordnung oder darüber hinaus größer".
Steigrohre sind Austauschteile, die einerseits wegen Abnutzung ausgetauscht werden, andererseits bei Produktionswechsel der Druckgusswerkstücke. Um innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens eine bestimmte Metallschmelzportion abzugeben, wird ein Steigrohr passenden Kalibers aus einem Satz von Steigrohren ausgewählt und in den Dosierofen eingesetzt. Der Satz von Steigrohren unterschiedlichen Kalibers deckt den Gesamtbereich der Metallschmelzströme des betreffenden Dosierofens ab.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 einen Dosierofen in schematisierter Darstellung bei entfernten Außenteilen,
2 eine Teilansicht des Innenraums eines Dosierofens,
3 ein Diagramm des Massenstromes über die Zeit eines konventionellen Steigrohres,
4 ein Diagramm des Massenstromes über die Zeit bei einem erfindungsgemäßen Steigrohr,
5 einen Längsschnitt durch ein Steigrohr,
6 einen Längsschnitt durch ein weiteres Steigrohr und
7 ein Reinigungswerkzeug zum Reinigen von Steigrohren.
1 ist eine schematische Darstellung des Innenraums eines Dosierofens. Dieser enthält ein innen feuerfest ausgekleidetes Gehäuse 1, das eine Wanne für die Metallschmelze bildet, ferner ein Füllrohr 2 zur Zuführung der Metallschmelze in die Wanne, ein Steigrohr 3 zur Abgabe von Metallschmelzportionen und eine Druckzuführungseinrichtung 4 zur Erzeugung eines Überdrucks im Inneren des Dosierofens, um jeweils Metallschmelzportionen am Steigrohr 3 abzugeben. Das Niveau der Schmelze im Dosierofen ist durch eine Ebene 5 angedeutet. Das Füllrohr 2 besteht aus Keramik oder Feuerbeton und bildet einen sich verengenden Trichter mit engem Auslass, der beim Betrieb des Dosierofens einen Verschluss für den im Inneren erzeugten Überdruck bildet, andererseits das Nachströmen von Metallschmelze in die Wanne zulässt. Der Betrieb des Dosierofens erfolgt stoßweise, d. h. zur Abgabe einer Metallschmelzportion am Steigrohr 3 wird während einer bestimmten Zeit, beispielsweise für 8 Sekunden, ein Überdruck erzeugt, der zur Förderung einer Metallschmelzportion durch das Steigrohr 3 in die Füllkammer beispielsweise einer Aluminiumdruckgussmaschine dient. Die angewendeten Drücke liegen im Bereich von 10 mbar bis 200 mbar und vorzugsweise im Bereich von 40 bis 80 mbar. Um diese Drücke aufzubauen, muss das Steigrohr 3 als temporärer Verschluss wirken, d. h. der Aufbau des Druckes erfolgt wesentlich rascher als der mögliche Abfluss von Material durch das Steigrohr 3.
2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Steigrohres 3. Die Wandung des Steigrohrs besteht aus Keramik oder Feuerbeton. Das Steigrohrinnere 30 enthält drei Abschnitte, nämlich einen einlaufseitigen Drosselabschnitt 31, einen Verbindungsdiffusorabschnitt 32 und einen auslaufseitigen Rohrabschnitt 33. Die Drossel 31 verzögert den Abfluss der Metallschmelze bei Druckaufbau in dem Gehäuse 1, so dass man mittels der Druckzuführungseinrichtung 4 eine gewünschte Höhe des Überdrucks im Gehäuse 1 einstellen kann. Alsdann wirkt die Drossel 31 als Messblende, d. h. bei eingestelltem, konstantem Druck fließt ein in etwa konstanter Strom durch das Steigrohr 3.
Bevor es jedoch zu diesem konstanten, geförderten Strom kommt, muss der Strom vom Wert Null auf den gewünschten Wert angestoßen werden, wobei es zu Einschwingvorgängen kommen kann. 3 zeigt das Verhalten des Massenstroms bei einem konventionellen Steigrohr der Kalottenform. Es bilden sich Überschwingvorgänge heraus, bevor sich der in etwa konstante Massenstrom ergibt. Demgegenüber zeigt 4 das Verhalten des Massenstroms bei einem erfindungsgemäßen Steigrohr. Wie deutlich sichtbar, verläuft der Einschwingvorgang praktisch aperiodisch, d. h. es treten keine Überschwingvorgänge auf.
Die Ausbildung des erfindungsgemäßen Steigrohrs wird anhand der 5 und 6 beschrieben. Das Steigrohrinnere 30 ist durch eine Schlichtbearbeitung geglättet. Es können die drei Abschnitte Drossel 31, Diffusor 32 und Rohrabschnitt 33 unterschieden werden, deren Längen mit L31 bzw. L32 bzw. L33 gekennzeichnet sind. Der Einlaufdurchmesser ist mit Di und der Auslaufdurchmesser mit Do bezeichnet. Der Außendurchmesser des Steigrohrs beträgt Da. Der Drosselabschnitt 31 ist rundzylindrisch und geht kantenlos mit einem Abrundungsradius R1 in den konischen Diffusorabschnitt 32 über. Der Rohrabschnitt 33 ist mit einem Öffnungswinkel von 1° zum Auslauf hin leicht konisch und geht kantenlos mit einem Abrundungsradius R2 in den Diffusorabschnitt 32 über. Die inneren Schnittlinien im axialen Längsschnitt durch das Steigrohr 3 sind stetig differenzierbar und sind im Diffusorabschnitt 32 allgemein S-förmig. Die Radien R1 und R2 können so gewählt werden, dass die mit ihnen erzeugten Rundungen, welche Teile von Torusflächen darstellen, tangential ineinander übergehen, d. h. im axialen Schnitt einen Wendepunkt bilden, an welchem der maximale Konusöffnungswinkel α des Diffusorabschnitts 32 gemessen werden kann. Es ist aber auch möglich, eine Konusfläche des Winkels α mit geraden Mantellinien zu bilden, die tangential in die durch die Radien R₁, R₂ gebildeten Torusflächen übergehen. Die Außenform des Steigrohres 3 kann abgerundet oder, wie dargestellt, kantig sein. Jedoch sollte eingangsseitig beim Übergang der Außenfläche zur Innenfläche des Steigrohres eine scharfe Umlaufkante 34 vorgesehen sein, und ausgangsseitig sollte keine „Stolperkante" zu einem weiterführenden Rohr gegeben sein, was eine weitere scharfe Umlaufkante 35 bedingt.
Steigrohre gibt es unter anderem mit einer Gesamtlänge L von 570 mm. Zu den Nenngrößen bei Steigrohren zählt noch der Außendurchmesser Da sowie die Innendurchmesser Do und Di am Auslass und Einlass des Steigrohres. Ausgehend von einer Gesamtlänge L = 570 mm liegt der Außendurchmesser Da im Bereich von 65 bis 130 mm. Der Auslassdurchmesser Do liegt im Bereich von 40 bis 80 mm und der Einlassdurchmesser Di im Bereich von 12 bis 40 mm. Es versteht sich, dass die jeweils kleineren Werte der Durchmesser miteinander und die jeweils größeren Durchmesser miteinander kombiniert sind.
Bei dem in 5 dargestellten Steigrohr beträgt der Auslassdurchmesser Do = 40 mm, und der Einlassdurchmesser Di = 16 mm, während L31 = 15 mm und L32 = 55 mm betragen. Die Abrundungsradien betragen R1 = 150 mm und R2 = 250 mm. Der maximale Öffnungswinkel α des Diffusors 32 beträgt etwa 10°.
Für die Ausführungsform nach 6 ergeben sich folgende Werte:
L = 570 mm; Da = 120 mm; Do = 65 mm; Di = 21 mm;
L31 = 20 mm; L32 = 105 mm; R1 = 150 mm; R2 = 250 mm, α = 14°.
Von den angegebenen Werten kann abgewichen werden. So braucht der Drosselabschnitt 31 nicht streng zylindrisch zu sein, vielmehr ist eine leicht konische Form zulässig. Der in Achsrichtung gemessene Wandwinkel im Drosselabschnitt kann im Bereich von 0 bis 1° gewählt werden. Auch für den Konusöffnungswinkel des Diffusors 32 gibt es einen bevorzugten Bereich, der von 8° bis 16° reicht. Für den Rohrabschnitt 33 wird ein Wandwinkel im Bereich von 0,5° bis 2° gewählt, was die Reinigung des Steigrohres von fest gewordener Metallschmelze erleichtert. Der erste Abrundungsradius R1 ist vorzugsweise größer als 30 mm und kann im Bereich von 100 bis 200 mm liegen und der zweite Abrundungsradius R2 ist vorzugsweise größer als 50 mm und kann im Bereich von 200 bis 300 mm gewählt werden.
Infolge der Geometrie des neuen Steigrohres und den bei Dosieröfen üblichen Förderdrücken wird eine laminare Strömung im Steigrohrinneren erzielt, was dazu führt, dass die Größe des Stromes bei dem neuen Steigrohr erhöht ist. Während beispielsweise ein Standardsteigrohr in Kalottenform der Nenngröße 570 × 85/65 × 21 (L × Da/Do × Di) einen Massestrom von knapp 100 kg/min bei 60 mbar Förderdruck aufweist, zeigt das neue strömungsoptimierte Steigrohr mit den gleichen Nennmaßen bei gleichem Förderdruck einen Massenstrom von 120 kg/min. Es darf angenommen werden, dass diese Erhöhung der Stromrate und das verbesserte Einschwingverhalten auf die Vermeidung von Wirbelbildungen bzw. Turbulenzen in den einzelnen Abschnitten (Drossel, Diffusor, Rohrabschnitt) innerhalb des erfindungsgemäßen Steigrohrs zurückzuführen ist.
Beim Gebrauch der Steigrohre 3 setzt sich Schmelze an den Rohrwandungen fest, die einen unerwünschten Überzug des Rohrinneren 30 ergeben. Deshalb wird solcher Überzug von Zeit zu Zeit entfernt, was mit einem in 7 dargestellten Werkzeug 7 geschehen kann. Dieses weist eine Stange 70 mit Griff 71 und einem Schaber 72 auf, der als Halbrundscheibe mit einem Radius passend zum Einlaufdurchmesser des betreffenden Steigrohrs 3 ausgebildet ist. Auch der Durchmesser der Stange 70 kann in Abhängigkeit von der Steigrohrgröße passend gewählt werden.
Da das Innere 30 des Steigrohres kantenlos ist, wird die Gefahr des heftigen Anschlagens des Schabers 72 am Rohrwandinneren infolge Trägheitskräften beim Richtungswechsel an Kanten vermieden, so dass Beschädigungen der Rohrinnenwand beim Reinigen des Steigrohrs weitgehend vermieden werden.
Statt einer Halbrundscheibe als Schaber 72 kann auch ein ahlenartiger Formschaber benutzt werden, der an die S-förmige Krümmung je eines Steigrohrinneren 30 angepasst ist, um die gewünschte Geometrie des Steigrohrinneren bei jedem Reinigungsvorgang immer wieder herauszuarbeiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 202005017110 U1 [0003]

Claims

Dosierofen zur Abgabe von abgemessenen Portionen einer Metallschmelze, insbesondere flüssige Aluminiumlegierung, umfassend ein feuerfest ausgekleidetes Gehäuse (1), das eine Wanne für die Metallschmelze bildet, ein Füllrohr (2) zur Zuführung der Metallschmelze in die Wanne, ein Steigrohr (3) zur Abgabe von Metallschmelzportionen, und eine Druckzuführungseinrichtung (4) zur Erzeugung eines Überdrucks im Inneren des Dosierofens zwecks Abgabe je einer Metallschmelzportion, wobei das Steigrohrinnere (30) einen einlaufseitigen Drosselabschnitt (31) mit Einlaufdurchmesser (Di) und einen Rohrabschnitt (33) mit Auslaufdurchmesser (Do) aufweist, die durch einen Diffusorabschnitt (32) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberflächen (30) von Drosselabschnitt (31), Diffusorabschnitt (32) und Rohrabschnitt (33) ohne Kantenbildung glatt ineinander übergehen, wobei eine stetige Änderung der Zunahme des Innendurchmessers wenigstens im Bereich des Diffusorabschnitts (32) erfolgt.
Steigrohr zur Verwendung in einem Dosierofen zur Abgabe von abgemessenen Portionen einer Metallschmelze, insbesondere flüssige Aluminiumlegierung, umfassend einen einlaufseitigen Drosselabschnitt (31), der einen Kanal mit im Wesentlichen konstanten Einlaufdurchmesser (Di) bildet, einen Diffusorabschnitt (32), der sich an den Drosselabschnitt anschließt und einen sich erweiternden Bereich der Innenoberfläche (30) des Steigrohrs (3) bildet, und einen Rohrabschnitt (33), der sich an den Diffusorabschnitt anschließt und einen Auslaufkanal mit Auslaufdurchmesser (Do) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der einlaufseitige Drosselabschnitt (31) kantenlos, mit einem ersten Abrundungsradius (R1) in den Diffusorabschnitt (32) übergeht, der generell Konusform aufweist, und dass der Diffusorabschnitt (32) kantenlos, mit einem zweiten Abrundungsradius (R2) in den Rohrabschnitt (33) übergeht.
Steigrohr nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrundungsradien (R1, R2) groß gegenüber Einlaufdurchmesser (Di) oder Auslaufdurchmesser (Do) gewählt sind.
Steigrohr nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abrundungsradius (R1) im Bereich von 100 bis 200 mm und der zweite Abrundungsradius (R2) im Bereich von 200 bis 300 mm gewählt sind.
Steigrohr nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (32) in seinem mittleren Bereich einen maximalen Konusöffnungswinkel (α) gegenüber der Steigrohrachse im Bereich von 8° bis 16° aufweist, und dass infolge der Wandabrundungen der Konuswinkel (α) allmählich in den Wandwinkel des Drosselabschnitts (31) bzw. des Rohrabschnittes (33) übergeht.
Steigrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gegenüber der Achsrichtung gemessene Wandwinkel des Drosselabschnitts (31) im Bereich von 0° bis 1° liegt.
Steigrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gegenüber der Achsrichtung gemessene Wandwinkel des Rohrabschnittes (33) im Bereich von 0,5° bis 2° liegt.
Steigrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigrohr (3) am Zulauf in den Drosselabschnitt (31) scharfkantig (34) ausgebildet ist.
Satz von Steigrohren unterschiedlichen Kalibers, die jeweils zur Abgabe von abgemessenen Portionen einer Metallschmelze innerhalb eines zugeordneten Bereichs von Portionsgrößen abgestimmt sind, um einen Gesamtbereich abgemessener Portionen eines Dosierofens abzudecken, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Steigrohre (3) des Satzes nach einem der Ansprüche 2 bis 8 ausgebildet sind.
Satz von Steigrohren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Auswahl von Steigrohren mit folgenden Abmessungen (in mm): Nr. GeGesamtlänge (L(L) max. Außendurchmesser (Da) max. Innendurchmesser (Do) Einlaufdurchmesser (Di) 1 570 90 40 16 2 570 120 65 21 3 570 120 65 24 4 570 120 65 35 5 570 120 65 40

Nr. Länge der Drossel (L31) erster Abrundungsradius (R1) zweiter Abrundungsradius (R2) Länge des Diffusors etwa 1 15 150 250 55 2 20 150 250 105 3 25 150 250 100 4 35 150 250 90 5 40 150 250 85
Reinigungswerkzeug zum Reinigen von Steigrohren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, gekennzeichnet durch eine Werkzeugstange (70) zum Hindurchführen durch das zu reinigende Steigrohr (3), und durch ein Schabwerkzeug (72), das der Form des Innenraums (30) zu folgen vermag.