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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Krustenbrechvorrichtung für Metallschmelzen mit einem fluidbetriebenem doppelt wirkenden Krustenbrechzylinder, dessen Kolbenstange mit endseitigem Meißel nach Maßgabe einer elektronischen Steuereinheit durch entsprechende Ansteuerung einer dem Krustenbrechzylinder zugeordneten elektropneumatischen Ventilanordnung zwischen einer eingefahrenen Grundstellung und einer ausgefahrenen Aufbrechstellung verfahrbar ist, wobei sensorische Mittel zur Ermittlung eines Auftreffens des Meißels auf die Kruste vorgesehen sind, um den Krustenbrechzylinder per Ventilanordnung von einem niedrig energetischen Zustellbetrieb in einen hochenergetischen Brechbetrieb umzusteuern.
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Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Technologie der Aluminiumerzeugung. Bei diesem oder verwandten Metallen liegt das Material häufig im geschmolzenen flüssigen Zustand vor, was hier mit dem Begriff Schmelze bezeichnet wird. Der Schmelze müssen herstellungsprozessbedingt von Zeit zu Zeit Roh- oder Zusatzstoffe hinzugefügt werden, welche meist von pulvriger Konsistenz sind. Das Zuführen dieser Stoffe wird allerdings dadurch behindert, dass sich an der Oberfläche eine als Kruste bezeichnete erstarrte Feststoffschicht bildet, welche die darunter liegende flüssige Schmelze abdeckt. Es kommen in der Praxis daher so genannte Krustenbrechvorrichtungen zum Einsatz, um die feste Kruste von Zeit zu Zeit aufzubrechen, so dass mittels geeigneter Zuführmittel die besagten Stoffe in die nun freiliegende flüssige Schmelze eingestreut werden können. Das Aufbrechen der Schmelze ist zur Aufrechterhaltung des elektrolytischen Herstellungsprozesses erforderlich.
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Bei dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommenden Krustenbrechzylinder handelt es sich in der Regel um einen pneumatisch beidseitig betätigten Arbeitszylinder, der oberhalb der Metallschmelze derart ortsfest installiert ist, dass dessen mit dem innenliegenden Kolben verbundene Kolbenstange nach unten ragt und so eine Stoßstange bildet, die am distalen Ende mit einem Meißel zur Verstärkung versehen ist. In der zurückgezogenen Grundstellung des Krustenbrechzylinders befindet sich der Meißel mit einem erheblichen Abstand oberhalb der Metallschmelze. Zum Aufbrechen der Kruste wird der Arbeitszylinder mit Druckluft beaufschlagt, so dass die Kolbenstange in die Aufbrechstellung ausfährt, so dass der Meißel gegen die Kruste durchstößt und diese schließlich aufbricht. Anschließend wird die Kolbenstange wieder in ihre eingefahrene Grundstellung überführt.
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Aus der
DE 10 2004 033 964 B3 geht eine gattungsgemäße Einrichtung zum Betrieb einer solchen Krustenbrechvorrichtung hervor. Der Krustenbrechzylinder wird hier nach Maßgabe einer elektronischen Steuereinheit durch entsprechende Ansteuerung von diesem zugeordneten elektropneumatischen Ventilen zwischen der eingefahrenen Grundstellung und der ausgefahrenen Aufbrechstellung verfahren. Hierbei wird zum anfänglichen Ausfahren der Kolbenstange ein zylinderbodenseitiges Ventil der Ventilanordnung vorgesehen, welches eine Verbindung zu einer Speisedruckquelle herstellt und gleichzeitig auch ein zylinderdeckelseitiges Ventil der Ventilanordnung einer Verbindung zur Speisedruckquelle herstellt. Da der Wirkdurchmesserunterschied der kolbenstangenseitigen Kolbenfläche gegenüber der gegenüberliegenden Kolbenfläche eine Ausfahrbewegung der Kolbenstange unter geringer Kraft bewirkt, kann durch Ansteuerung beider Ventile gleichzeitig ein niedrigenergetischer Zustellbetrieb erzielt werden, welcher zum Verfahren der Kolbenstange von der eingefahrenen Grundstellung bis zum Auftreffen des Meißels auf die Kruste durchgeführt wird. Anschließend wird sensortechnisch das Auftreffen des Meißels auf die Kruste ermittelt. Dies wird hier durch eine Überwachung des elektrischen Potentials zwischen dem geerdeten Meißel und dem vorhandenen Spannungspotential der Schmelze ermittelt. Zu diesem Zwecke ist in der elektronischen Steuereinheit ein elektrischer Impedanzmesskreis oder ein elektrischer Spannungsmesskreis integriert. Wird hierüber das Auftreffen des Meißels auf die Kruste ermittelt, so wird die auf die Kruste einwirkende Kraft erhöht. Dies geschieht durch Unterbrechung der Verbindung des zylinderdeckelseitigen Ventils zur Speisedruckwelle, so dass die Gegenkraft zur zylinderbodenseitigen Beaufschlagung des Krustenbrechzylinders entfällt und der Krustenbrechzylinder in den hochenergetischen Brechbetrieb überführt wird. Nach Durchbrechen der Kruste verfährt die Kolbenstange wieder in ihre eingefahrene Grundstellung.
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Zwar ermöglicht diese spezielle ventiltechnische Ansteuerung des Krustenbrechzylinders einen druckluftsparenden Betrieb der Krustenbrechvorrichtung, jedoch gewährleistet die elektrische Potentialabfrage zur Erkennung der Kruste für das Umschalten auf Brechbetrieb eine relativ geringe Betriebssicherheit. Denn die verschieden dicke Oxidkruste führt zu nicht eindeutigen Messergebnissen.
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Aus der
DE 33 05 236 C2 geht eine andere Einrichtung zum Betrieb einer Krustenbrechvorrichtung für Metallschmelzen hervor, welche ebenfalls einen über den Krustenbrechzylinder, den Meißel sowie der Metallschmelze geschlossenen Stromkreis nutzt, um die Position des Meißels zu erkennen und steuerungstechnisch zu nutzen.
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Aus der
DE 1 275 285 geht eine Krustenbrechvorrichtung hervor, bei welcher die Position über separate Detektoren erfasst werden, welche außerhalb des Krustenbrechzylinders angeordnet, dessen Position erfassen. Auch bei dieser Lösung ist ein ausreichender Abstand zwischen der Oberfläche der Metallschmelze zumindest zum untenliegenden Detektor erforderlich, damit dieser nicht durch die abstrahlende Hitze geschädigt wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb der gattungsgemäßen Krustenbrechvorrichtung dahingehend weiter zu verbessern, dass unter Beibehaltung eines minimalen Druckluftverbrauchs das Vorhandensein einer Kruste auf der Aluminiumschmelze betriebssicher erkennbar ist, um eine Umsteuerung des Krustenbrechzylinders in einem Brechbetrieb herbeizuführen.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe durch Anspruch 5 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass als Mittel zur Ermittlung des Auftreffens des Meißels ein im oder am Zylinderdeckel des Krustenbrechzylinders angeordneter induktiver Positionssensor zur Detektion der ausgefahrenen Aufbrechstellung des Krustenbrechzylinders vorgesehen ist. Der Positionssensor korrespondiert insoweit mit dem innenliegenden Kolben des Krustenbrechzylinders.
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Vorteilhafterweise kann durch die erfindungsgemäße Maßnahme das Durchbrechen der Kruste einer Metallschmelze durch Umschaltbetrieb des Krustenbrechzylinders bei reduziertem Druckluftverbrauch mit hoher Betriebssicherheit durchgeführt werden, denn elektrische Einflüsse zwischen der Kruste und dem hiermit zusammenwirkenden Meißel spielen keine Rolle mehr. Weiterhin lässt sich ein induktiver Positionssensor, der vorzugsweise mit einem Permanentmagneten im Kolben des Krustenbrechzylinders korrespondiert, mit geringem technischen Aufwand realisieren. Da sich induktive Positionssensoren bauartbedingt auch bei höheren Temperaturen einsetzen lassen, ist ein hitzebedingter Ausfall nicht zu befürchten. Es wird empfohlen, spezielle temperaturfeste induktive Positionssensoren zu verwenden.
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Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, den Positionssensor vollständig im Zylinderdeckel des Krustenbrechzylinders zu integrieren. Dies kann beispielsweise in einer Ausnehmung eines aus Leichtmetall bestehenden Zylinderdeckels erfolgen, die mit einem Deckel geschlossen ist. Die Führung der elektrischen Leitung kann entlang der äußeren Mantelfläche des Krustenbrechzylinders erfolgen. Die vollständige Integration im Zylinderdeckel bietet einen zusätzlichen Hitzeschutz, da die auf die Stirnseite des Zylinderdeckels auftreffende Hitze vom Metall des Zylinderdeckels verteilt wird.
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Vorzugsweise besteht die elektropneumatische Ventilanordnung zur Beaufschlagung des Krustenbrechzylinders aus einem zylinderbodenseitigen 3/2-Wegeventil sowie einem zylinderdeckelseitigen 3/2-Wegeventil, welche beide eingangsseitig mit einer Speisedruckquelle in Verbindung stehen und separat von einer elektronischen Steuereinheit elektrisch angesteuert werden. An diese elektronische Steuereinheit lässt sich vorteilhafterweise auch der induktive Positionssensor zur Detektion der ausgefahrenen Aufbrechstellung anschließen, um auch die Signalverarbeitung der Sensorsignale vorzunehmen.
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Die Signalverarbeitung durch die elektronische Steuereinheit erfolgt gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme nach Maßgabe einer zeitabhängigen Umschaltlogik zwischen dem Zustellbetrieb und dem anschließenden Brechbetrieb für die beiden Wegeventile.
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Die Umsteuerung des Krustenbrechzylinders vom niedrigenergetischen Zustellbetrieb in den hochenergetischen Brechbetrieb erfolgt nach Maßgabe der Steuereinheit erfindungsgemäß dadurch, dass über den Positionssensor festgestellt wird, ob über einen definierten Zeitraum von mehreren Sekunden die ausgefahrene Aufbrechstellung erreicht ist. Dabei ist der Zeitraum so gewählt, dass mit Sicherheit nach Ablauf der Zeit davon ausgegangen werden kann, dass die Kolbenstange des Krustenbrechzylinders die ausgefahrene Aufbrechstellung erreicht haben müsste. Ist dies nicht der Fall, da der Positionssensor die Endposition noch nicht detektiert hat, so ist dies der entscheidende Hinweis darauf, dass eine Kruste auf der Metallschmelze ausgebildet ist, welche ein Umschalten auf den hochenergetischen Brechbetrieb auslöst.
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Ein sinnvoller Zeitraum, in dem erwartet werden kann, ob der Krustenbrechzylinder die ausgefahrene Aufbrechstellung erreicht hat, liegt im Bereich zwischen 2 bis 10 Sekunden, vorzugsweise ca. 6 Sekunden.
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Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass zum Testen des Vorhandenseins einer Kruste die beiden Wegeventile durch die Steuereinheit in regelmäßigen Zeitabständen im Bereich von 30–300 Sekunden zwecks Auslösen des niedrigenergetischen Zustellbetriebs eingeschaltet werden. Somit kann in äquidistanten Zeitabständen ein Prüfzyklus auf Vorhandensein einer Kruste durchgeführt werden.
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Weitere, die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Betrieb eines Krustenbrechzylinders für Metallschmelzen und
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2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betrieb der Einrichtung nach 1.
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Gemäß 1 ist ein Krustenbrechzylinder 1, der nach Art eines doppelseitig beaufschlagbaren Pneumatikzylinders ausgebildet ist, örtlich über eine Metallschmelze 2 angeordnet, die mit einer festen Kruste 3 überzogen ist. Eine Kolbenstange 4 des Krustenbrechzylinders 1 mit an deren distalem Ende angeordneten Meißel 5 ist zum Aufbrechen der Kruste 3 durch Druckmittelbeaufschlagung des Krustenbrechzylinders 1 vorgesehen.
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Die den Krustenbrechzylinder 1 beaufschlagende Ventilanordnung besteht aus einem zylinderdeckelseitigen Wegeventil 6 sowie einem zylinderbodenseitigen Wegeventil 7. Beide Ventile 6 und 7 sind als monostabile federrückgestellte 3/2-Wegeventile ausgeführt. Je eine Arbeitsleitung ist von den Arbeitsanschlüssen der Wegeventile 6 und 7 zur zylinderdeckelseitigen Druckkammer bzw. zylinderbodenseitigen Druckkammer des Krustenbrechzylinders 1 geführt. Speisedruckseitig stehen beide Wegeventile 6 und 7 mit einer gemeinsamen Speisedruckquelle 8 in Verbindung.
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Die elektrische Ansteuerung beider elektropneumatischer Wegeventile 6 und 7 erfolgt über eine elektronische Steuereinheit 9. Nach Maßgabe der Steuereinheit 9 wird durch Ansteuerung der Ventilanordnung der Krustenbrechzylinder 1 zwischen einer eingefahrenen Grundstellung und einer ausgefahrenen Aufbrechstellung bewegt. Dabei erfolgt die Zustellbewegung in verschiedenen Betriebsphasen. Ausgehend von der eingefahrenen Grundstellung werden beide Wegeventile 6 und 7 gleichzeitig eingeschaltet, so dass durch die herrschende Differenz der wirksamen Flächen zu beiden Seiten des Kolbens ein langsamer, niedrigenergetischer Zustellbetrieb der Kolbenstange 4 erfolgt. Anschließend wird kontrolliert, ob der Meißel 5 auf die Kruste 3 der Metallschmelze 2 auftrifft, indem ein im Zylinderdeckel 10 des Krustenbrechzylinders 1 integrierter Positionssensor 11 im Zusammenwirken mit dem innenliegenden Kolben des Krustenbrechzylinders 1 im Sinne einer Endlagendetektion feststellt, ob die ausgefahrene Aufbrechstellung des Krustenbrechzylinders 1 erreicht ist. Hierzu wartet die Steuereinheit 9 einen definierten Zeitraum von ca. 2 Sekunden ab. Denn nach Ablauf dieser Zeit kann die ausgefahrene Aufbrechstellung des Krustenbrechzylinders 1 dann erwartet werden, wenn keine Kruste 3 vorhanden ist. Ist dagegen eine Kruste 3 vorhanden, so erreicht der Krustenbrechzylinder 1 im niedrigenergetischen Zustellbetrieb nicht die ausgefahrene Aufbrechstellung während des definierten Zeitraums. Die Steuereinheit 9 schaltet anschließend zum Brechen der Kruste 3 den Krustenbrechzylinder 1 in den hochenergetischen Brechbetrieb um, indem das zylinderdeckelseitige Wegeventil 6 ausgeschalten wird. Insofern entfällt die Gegenkraft auf den Kolben des Krustenbrechzylinders 1, so dass dieser mit voller Kraft auf die Kruste 3 zum Durchbrechen einwirkt.
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In der 2 sind noch einmal zusammenfassend die wesentlichen Verfahrensschritte zum Betrieb der Krustenbrechvorrichtung aufgeführt. Zu Beginn eines Arbeitszyklus wird im Zuge eines niedrigenergetischen Zustellbetriebs die Kolbenstange von der ausgefahrenen Grundstellung in Richtung Aufbrechstellung bewegt. Anschließend wird festgestellt, ob nach einer definierten Zeitdauer die Kolbenstange noch nicht die ausgefahrene Aufbrechstellung erreicht hat, was mit dem Vorhandensein einer Kruste auf der Metallschmelze gleichgesetzt wird. Wird hierüber das Vorhandensein einer Kruste festgestellt, so wird der Krustenbrechzylinder vom niedrigenergetischen Zustellbetrieb in einen hochenergetischen Brechbetrieb umgesteuert. Im hochenergetischen Brechbetrieb bringt der Krustenbrechzylinder eine ausreichende Kraft auf, um die Kruste zu durchbrechen. Anschließend wird der Krustenbrechzylinder wieder in die eingefahrene Grundstellung überführt, bis ein neuer Betriebszyklus beginnt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Krustenbrechzylinder
- 2
- Metallschmelze
- 3
- Kruste
- 4
- Kolbenstange
- 5
- Meißel
- 6
- Wegeventil
- 7
- Wegeventil
- 8
- Speisedruckquelle
- 9
- Steuereinheit
- 10
- Zylinderdeckel
- 11
- Positionssensor
