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Die Erfindung betrifft Dosierofen für eine Druckgussanlage mit einem beheizbaren Schmelzebehälter, einem Fülltrichter, einem Steigrohr, einer Rinne zur Verbindung des Dosierofens mit einer Gießform und Mitteln zur Regelung des Drucks und der Temperatur im Schmelzebehälter, sowie ein Verfahren zum Dosieren von Schmelze in eine Gießform mit einem derartigen Dosierofen, wobei der Schmelzebehälter über den Fülltrichter mit Schmelze oder Festmaterial gefüllt wird, die gewünschte Temperatur im Schmelzebehälter eingestellt wird, der Druck im Innern des Schmelzebehälters erhöht wird, daraufhin die Schmelze im Steigrohr aufsteigt und über die Rinne der Gießform zugeführt wird, bis der Druck wieder verringert wird und die Schmelze aus dem Steigrohr und dem Fülltrichter zurück in den Schmelzebehälter strömt.
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Dosieröfen für Druckgussanlagen, insbesondere für den Leichtmetalldruckguss sind allgemein bekannt. Unter Druckgussanlagen werden in diesem Zusammenhang natürlich auch Niederdruckgussanlagen, Vakuumdruckgussanlagen, Niederdruckkokillengussanlagen oder Pressgussanlagen verstanden. Die Dosieröfen dienen zur exakten Dosierung einer Schmelze in die Füllkammer eines Formwerkzeugs der Druckgussanlage. Die Schmelze wird dabei entweder direkt im Dosierofen erzeugt, so dass dieser mit festem Material gefüllt wird oder festes Material wird im Vorschmelzofen geschmolzen und anschließend flüssig über einen Fülltrichter in den Dosierofen gefüllt. Der Schmelzebehälter des Dosierofens ist bezüglich seines Innendrucks und seiner Innentemperatur regelbar, so dass ein gewünschter Zustand der Schmelze eingestellt werden kann.
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Ein solcher Dosierofen wird beispielsweise in der
DE 44 03 285 A1 beschrieben. Um den Druck im Innern des Schmelzebehälters regeln zu können, wird dieser mit einem Deckel versehen, der dicht auf den Schmelzebehälter aufgesetzt wird. Die in einem solchen Dosierofen für Aluminiumlegierungen verwendeten Schmelzetemperaturen betragen etwa 660–720°C, um eine ausreichende Fließfähigkeit der Schmelze bei der Übertragung in die Gießform sicherzustellen.
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Des Weiteren ist aus der
EP 1 076 603 B1 ein Dosierofen bekannt, bei dem ein konstanter Schmelzestand im Steigrohr über den Druck und die Temperatur geregelt wird. Dies soll zu einer metallurgisch sicheren Prozessführung dienen.
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Bei den bekannten Verfahren und verwendeten Dosieröfen besteht jedoch ein hoher Energieaufwand und eine teilweise nicht ausreichende Qualität der Gussstücke aufgrund von Porositäten und mangelnden Bauteilfestigkeiten. Hinzu kommen relativ lange Taktzeiten.
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Es stellt sich daher die Aufgabe einen Dosierofen und ein entsprechendes Verfahren bereit zu stellen, mit denen der Energieverbrauch bei der Aufbereitung der Schmelze verringert werden kann und die Qualität der Gussstücke verbessert werden kann. Gleichzeitig sollten die Taktzeiten verkürzt werden und eine sichere Prozessführung erreicht werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Dosierofen für eine Druckgussanlage, insbesondere beim Aluminiumdruckguss, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Dosieren von Schmelze in eine Gießform mit einem derartigen Dosierofen mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
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Dadurch, dass im Schmelzebehälter mehrere Spülsteine mit Kontakt zur Schmelze angeordnet sind, über die mindestens 6 l Gas pro Minute und Tonne Schmelze einbringbar sind, beziehungsweise dass über die Spülsteine nach dem Befüllen des Schmelzebehälters kontinuierlich mindestens 6 l Gas pro Minute und Tonne Schmelze, vorzugsweise 10 l Gas pro Minute und Tonne Schmelze in die Schmelze eingebracht werden, wird erreicht, dass Oxide aus der Schmelze herausgespült werden, ein verringerter Wasserstoffgehalt erzielt wird und eine Badbewegung entsteht, die dazu führt, dass auch bei verringerten Schmelzetemperaturen, eine ausreichende Fließfähigkeit der Schmelze vorhanden bleibt, um diese in die Form zu dosieren. Hierdurch sinkt der notwendige Energieeintrag und es wird eine schnellere Erstarrung der Gussstücke erreicht, was einerseits zu einer Verkürzung der Taktzeiten führt und andererseits die Anzahl und Größe auftretender Schwindungslunker deutlich verringert. So entsteht ein qualitativ hochwertiges Gussstück mit einem geringeren Porositätsgrad. Entsprechend steigt auch die Bauteilfestigkeit. Als weiteren Vorteil ergibt sich die geringere Temperatur der verwendeten Gussform, wodurch weniger Zeit und Trennmittel zum Abkühlen der Form verwendet werden müssen. Auch verringert sich der Werkzeugverschleiß.
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Vorzugsweise sind die Spülsteine gleichmäßig verteilt am Boden des Schmelzebehälters einbetoniert. So wird sichergestellt, dass eine Homogenisierung der Schmelze über den gesamten Schmelzebehälter stattfindet.
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Der Schmelzebehälter ist vorteilhafterweise druckdicht verschließbar, so dass ein genauer Innendruck im Schmelzebehälter eingestellt werden kann, der eine exakte Dosierung ermöglicht.
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In einer weiterführenden Ausführung sind ein Auslauf des Steigrohrs und/oder die Rinne beheizt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die relativ kalte Schmelze sich den Wänden des Steigrohrauslaufs oder der Rinne absetzt und diese zusetzt. Dabei erfolgt die Beheizung des Auslaufs des Steigrohres und/oder der Rinne vorzugsweise über einen gasbetriebenen Brenner.
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In einer alternativen Ausführungsform weist der Auslauf des Steigrohres eine Keramikbeschichtung auf, durch deren Oberfläche auf ein zusätzliches Heizen des Steigrohres verzichtet werden kann, so dass zusätzlich Energie eingespart wird.
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Vorzugsweise ist auch die Rinne aus Keramik, wodurch auch hier auf eine Beheizung verzichtet werden kann.
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In einer weiterführenden Ausbildung der Erfindung weist der Auslauf für die Schmelze im unteren Teil des Fülltrichters einen Durchmesser von mindestens 35 mm auf. Da bei Füllung des Ofens mit Schmelze auch diese Schmelze mit geringeren Temperaturen eingebracht wird, muss aufgrund der verringerten Fließfähigkeit ein ausreichender Durchströmungsquerschnitt zur Verfügung gestellt werden.
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Weiter sollte der Fülltrichter gasdicht verschließbar sein, damit beim Dosiervorgang die Schmelze nicht im Fülltrichter aufsteigt und dort über die Dosierzyklen in Schichten erstarrt und so den Fülltrichter zusetzt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der obere Konus des Fülltrichters beheizt. So wird ein Zusetzen des Fülltrichters mit erstarrender Schmelze vermieden.
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Besonders gute Bauteilfestigkeiten werden erzielt, wenn der Schmelzebehälter mit einer Temperatur von 590–630°C gefahren wird.
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Die Schmelze erstarrt in sehr kurzer Zeit, wobei qualitativ hochwertige Gusstücke entstehen. Vor allem beim Gießen von Zylinderkurbelgehäusen können deutlich erhöhte Lagerstuhlfestigkeiten erreicht werden.
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Dabei wird vorzugsweise als Gas Stickstoff oder Argon in die Schmelze eingebracht. Diese Inertgase reinigen und bewegen die Schmelze und erzeugen eine Schutzgasatmosphäre im Schmelzebehälter.
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Insbesondere beim Befüllen der Gießform werden der Auslauf des Steigrohres und die Rinne beheizt, da zu dieser Zeit der Kontakt mit der Schmelze besteht und ein Zusetzen mit Schmelze dadurch verhindert wird.
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Der erfindungsgemäße Dosierofen und das erfindungsgemäße Verfahren zum Dosieren von Schmelze in eine Gießform dienen somit zur Verringerung des Energieaufwandes beim Gießen, verbessern die Bauteilqualitäten und führen zu einer erhöhten Wirtschaftlichkeit der Gießerei durch verringerte Taktzeiten.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosierofens wird im Folgenden ebenso wie das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Figur beschrieben.
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Die Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Druckgussanlage mit einem erfindungsgemäßen Dosierofen mit angeschlossener Gießform in Seitenansicht.
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Die Figur zeigt einen Ausschnitt einer Druckgussanlage, welche zumindest einen Dosierofen 10, und eine Gießform 12 aufweist, die über den Dosierofen mit Schmelze versorgt wird.
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Der Dosierofen 10 weist einen Schmelzebehälter 14 auf, in dem sich ein Schmelzebad 16 aus einer Aluminiumlegierung befindet. Zur Erwärmung des Schmelzebades 16 ist der Schmelzebehälter 14 mit einer Heizung 18 ausgestattet, die beispielweise aus drei elektrisch betriebenen Heizstäben 19 besteht, welche waagerecht oberhalb des Schmelzebades 16 eingebaut sind. Um den Energieeintrag möglichst gering zu halten, ist der gesamte Schmelzebehälter 14 von einer Isolierschicht 20 umgeben.
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Die Befüllung des Schmelzebehälters 14 erfolgt über einen zweiteiligen Fülltrichter 22, dessen oberer Teil 24 sich außerhalb des Schmelzebehälters 14 befindet und dessen unterer Teil 26 sich innerhalb des Schmelzebehälters 14 in das Schmelzebad 16 erstreckt.
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Der obere Teil 24 des Fülltrichters 22 ist von einer zweiten Heizeinheit 28 umgeben, um neu eingefüllte Schmelze auf der erforderlichen Temperatur zu halten und ein Zusetzen des Fülltrichters 22 durch beim Dosieren aufsteigende Schmelze zu vermeiden.
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Der Schmelzebehälter 14 ist durch einen ebenfalls isolierten Deckel 30 gas- und druckdicht verschließbar. Auch der durch den Deckel 30 des Schmelzebehälters 14 ragende Fülltrichter 22 ist über einen weiteren Deckel 32 verschließbar, der lediglich zum Füllen geöffnet wird. Dieser Deckel 32 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel am oberen Teil 24 des Fülltrichters angeordnet.
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Des Weiteren befindet sich im Schmelzebehälter 14 des Dosierofens 10 ein Steigrohr 34, welches in das Schmelzebad 16 ragt und durch eine Außenwand des Dosierofens 10 nach außen ragt. Dieses Steigrohr 34 ist an seinem Auslauf 36, also im aus der Isolierschicht 20 ragenden Bereich von einer weiteren Heizeinheit 38 umgeben. Das Steigrohr 34 mündet in eine ebenfalls von einer Heizeinheit 40 umgebenen Rinne 42, die zur Versorgung der Gießform 12 mit Schmelze in deren Füllkammer 44 mündet.
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Erfindungsgemäß sind im Boden 46 des Schmelzebehälters 14 gleichmäßig verteilt drei Spülsteine 48 einbetoniert, die über Leitungen 50 mit einem Gasbehälter 52 verbunden sind, in dem sich Spülgas, insbesondere Stickstoff oder Argon befindet. Die Spülsteine 48 sind porös, so dass das Spülgas entweder mit dem Vordruck aus einem Gasdruckbehälter oder wie dargestellt über einen Kompressor 53 in das Schmelzebad gefördert werden kann. Über diese Spülsteine 48 kann eine Gasmenge von jeweils bis zu 15,5 l/min in das Schmelzebad 16 eingetragen werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt das Fassungsvermögen des Schmelzebehälters etwa 2300 kg. Um eine ausreichende Badbewegung über die Spülsteine 48 zu erzeugen, wird über jeden Spülstein 48 eine Gasmenge von beispielsweise 5 l/min in das Schmelzebad eingebracht, was somit einem Gasdurchsatz von 6,5 Litern Gas pro Minute und Tonne Schmelze entspricht.
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Selbstverständlich befindet sich an der Leitung 50 ein Volumenstromsensor 54, über den die Menge des geförderten Gases gemessen wird. Dieser ist mit einer Steuereinheit 56 verbunden, so dass ein gewünschter Volumenstrom regelbar ist.
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Des Weiteren befindet sich ein Druckregler 58 sowie ein Temperaturregler 60 am Dosierofen 10, über die die Temperatur und der Druck im Schmelzebehälter 14 überwacht und geregelt werden. Der Druckregler 58 besteht beispielsweise aus einem Drucksensor 62 sowie einem Druckregelventil 64 und einem weiteren Kompressor 66 sowie entsprechenden Leitungen 68 und einer Steuereinheit 70 zum Regeln des Druckregelventils 64. Der Temperaturregler 60 besteht aus einem als Thermoelement ausgeführten Temperatursensor 72, dessen Werte an die Steuereinheit 70 zur Steuerung der Heizung übermittelt werden. Ein weiterer als Thermoelement ausgeführter Temperatursensor 74 überwacht die Temperatur der Schmelze, welche in vorliegendem Fall ca. 590–630°C beträgt.
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Bei dieser Temperatur würde normalerweise zur Förderung der Schmelze keine ausreichende Fließfähigkeit der Schmelze vorliegen. Lediglich durch den Gaseintrag über die Spülsteine 48 wird diese Fließfähigkeit durch die ständige Badbewegung sichergestellt.
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Soll nun ein Bauteil gegossen werden, wird zunächst der Schmelzebehälter 14 über den Fülltrichter 22 mit Schmelze gefüllt. Da diese eingebrachte Schmelze eine Temperatur von 600°C aufweisen sollte, wird diese Temperatur über die Heizeinrichtung 28 am oberen Teil 24 des Fülltrichters 22 gehalten. Ein Auslauf 76 des unteren Teils 26 des Fülltrichters 22 weist einen Durchmesser von ca. 40 mm auf, um ein Festsetzen aufgrund der verminderten Fließfähigkeit der Schmelze im Fülltrichter 22 zu verhindern. So gelangt die Schmelze in den Schmelzebehälter, dessen Temperatur auf 600°C eingestellt und über die Temperatursensoren 60, 66 und die Heizung 28 geregelt wird.
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Gleichzeitig erfolgt eine kontinuierliche Förderung von Stickstoff über die Spülsteine 48 in das Schmelzebad 16. Dabei werden bei einer Füllung des Dosierofens mit 2300 kg Schmelze ca. 15 l Gas pro Minute eingebracht. Je nach Fließfähigkeit und Legierung ist es auch sinnvoll 23 l Gas pro Minute zuzuführen. Hierdurch entsteht eine Badbewegung, durch die eine ausreichende Fließfähigkeit der Schmelze auch bei diesen abgesenkten Temperaturen erhalten bleibt. Anschließend wird der Deckel 32 am Fülltrichter 22 verschlossen und so gemeinsam mit dem Deckel 30 des Schmelzebehälters ein abgedichteter Innenraum geschaffen. Durch Erhöhung des Druckes im Innern des Schmelzebehälters 14 wird die Schmelze im Folgenden in das Steigrohr 34 und den unteren Teil 26 des Fülltrichters 22 gedrückt. Bei ausreichend hohem Druck läuft die Schmelze über den Auslauf 36 des Steigrohres 34 in die Rinne 42 und von hier in den Füllkammer 44 der Gießform 12 und wird so schnell wie möglich mit dem Schusskolben der Druckgussmaschine in einen Hohlraum der Gießform 12 geschossen, wo die Schmelze, welche beim Eintritt in die Gießform 12 weiterhin ca. 600°C warm ist, relativ schnell erstarrt. Der Erhalt der Temperatur der Schmelze außerhalb des Dosierofens 10 wird dabei über die Heizeinrichtungen 38, 40 sichergestellt. Nach vollständigem Befüllen der Gießform 12 wird der Druck im Schmelzebehälter 14 wieder abgesenkt, so dass die Schmelze aus dem Steigrohr 34 und dem Fülltrichter 22 zurückströmen kann.
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Das Bauteil wird nach dem Erstarren aus der Gießform 12 entnommen und die Gießform mit einem Trennmittel abgekühlt und Gießreste entfernt. Diese Abkühlung erfolgt aufgrund der geringeren Aufheiztemperatur deutlich schneller als beim Gießen mit den gewohnten Temperaturen von ca. 700°C. Auch kann der Trennmittelverbrauch um ca. 40% reduziert werden.
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Die auf diese Weise gewonnenen Bauteile weisen lediglich geringe Porositäten und beinahe keine Schwindungslunkerbildung auf, da die Schmelze durch die geringere Temperatur in einem dichteren Zustand in die Form eingebracht wird und Oxide durch den Gaseintrag aus der Schmelze gespült werden. Des Weiteren wird der Wasserstoffgehalt der Schmelze reduziert. Auch legiert die Schmelze weniger an der Gießform an.
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Dies alles führt zu einer Taktzeitverringerung, einer Senkung des Energieverbrauchs und qualitativ hochwertigeren Bauteilen. Insbesondere dickwandige Bauteile weisen hohe Bauteilfestigkeiten auf, so dass sich neue Formgebungsmöglichkeiten beim Gießen ergeben.
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Es sollte deutlich sein, dass die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Insbesondere ist es möglich, statt der Heizeinrichtungen an der Rinne, dem Auslauf des Steigrohres oder dem Fülltrichter gegebenenfalls mit keramischen Werkstoffen bei der Herstellung zu verwenden, die bezüglich Ihrer Oberflächen und Isolationseigenschaften gegebenenfalls eine Heizung überflüssig machen,
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4403285 A1 [0003]
- EP 1076603 B1 [0004]
