DE19618843A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Giessen von geschmolzenem Material - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von geschmolzenem Material, wie beispielsweise geschmolzenes Metall, in eine Gußform, so daß die Menge des geschmolzenen Materials im Zusammenhang mit dem Gießen gewogen werden kann. Um während des Gießvorgangs die Gießhöhe des geschmolzenen Materials niedrig und seine Bewegung so gleichmäßig wie möglich zu halten, ist der Boden der das geschmolzene Material enthaltenden Gießpfanne im wesentlichen gekrümmt entworfen, mit so einem Krümmungsradius, daß die Dicke der geschmolzenen Schicht, die sich in der Gießpfanne befindet, selbst beim Maximum nur ein Bruchteil des Krümmungsradius des Bodens ist. Das erfindungsgemäße Gießverfahren wird vorteilhaft mittels einer Gießpfannen- Lagervorrichtung gemäß der Erfindung verwirklicht.

Das Gießen von geschmolzenem Metall und sein Wiegen im gleichen Zusammenhang ist zum Beispiel beim Gießen von Metallanoden wesentlich, da der nächste Verfahrensschritt nach dem Gießen eine Elektrolyse ist, wobei eine Voraussetzung zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads eine gleichmäßige Qualität der Anoden sowohl in Bezug auf die Form als auch auf das Gewicht ist. In den meisten bekannten Verfahren werden Anoden heutzutage in offenen Formen gegossen.

Das Anodengießen wird im allgemeinen durch Neigen der Gießpfanne mittels eines hydraulischen Zylinders ausgeführt, der das Gestell, auf dem die Gießpfanne angeordnet ist, kippt. Das Gestell und das andere Ende des hydraulischen Zylinders sind mit Lager an einer Brücke befestigt. Das Gestell, der hydraulische Zylinder und die Brücke schwimmen auf einem komplexen Hebelgestänge, das die vertikalen auf die Gießpfanne gerichteten Kräfte in eine Kraft umsetzt, die mit einem oder mehreren Zugsensoren gemessen werden kann.

Im Stand der Technik ist ein in dem kanadischen Patent 924,477 beschriebenes Verfahren und eine Vorrichtung zum Wiegen von geschmolzenem Material im Zusammenhang mit dem Gießen bekannt. Dieses Patent stellt eine Gießpfanne mit einem gekrümmtem Boden vor, worin die Höhe der geschmolzenen Schicht zu Beginn des Gießverfahrens vom gleichen Betrag ist wie der Krümmungsradius des Bodens. Wenn die Höhe der Gießpfanne in der Größenordnung des Krümmungs­ radius ist, muß die Gießpfanne während des Gießens über die Form verschoben werden. Diese Art der Lösung ist schwierig zu konstruieren wenn die Gießpfanne von unten unterstützt wird, wie es gegenwärtig bei Gießpfannen üblich ist. Es ist auch klar, daß die Gießhöhe des geschmolzenen Materials beachtenswert groß wird und dieses ein Spritzen verursacht. Die US Patentoffenlegung 3,659,644 beschreibt einen gleichen Gießpfannentyp, wobei die Höhe der Gießpfanne in der gleichen Größenordnung wie der Krümmungsradius ist.

Im Stand der Technik sind auch andere Anordnungen bekannt, die das Gießen und Wiegen von geschmolzenem Material kombinieren und worin der Boden der Gießpfanne im wesentlichen flach ist. In diesen Anordnungen ist die Gießhöhe des geschmolzenen Materials gering. In einigen Fällen kann die Beschleunigung des geschmolzenen Materials in eine Bewegung von dem flachen Boden der Gießpfanne einen fehlerhaften Eindruck von gesteigerter Masse in dem Wiegesensor verursachen.

Um mögliche Wiegefehler im Zusammenhang mit dem Gießen von geschmolzenem Material zu minimieren und einen Gießvorgang zu erzielen, der so gleichmäßig wie möglich abläuft, so daß die Gießhöhe des geschmolzenen Materials niedrig und seine Bewegung so regelmäßig wie möglich bleibt, ist nun eine Gießpfanne erfunden worden, die am Boden im wesentlichen gekrümmt ist, wobei die Dicke der geschmolzenen Schicht, wenn sie vor dem Gießen vertikal gemessen wird, nur ein Bruchteil der Länge des Krümmungsradius ist, höchstens 1/2 davon, aber vorteilhaft innerhalb des Bereichs von 1/3 - 1/5. Es ist auch eine Vorrichtung zum Bewegen dieser Gießpfanne entwickelt worden. Die wesentlichen neuen Merkmale dieser Erfindung sind von den anhängenden Ansprüchen offensichtlich.

Eine Gießpfanne, die einen gleichmäßigen Gießvorgang ermöglicht, kann auch mittels des Winkels des Segments beschrieben werden, das von dem geschmolzenen Metall, das sich in der Gießpfanne befindet, gebildet wird. In diesem Fall ist der Segmentwinkel höchstens 140°, vorteilhaft höchstens 90°. Segment bedeutet hier einen Winkel, der zwischen dem Mittelpunkt der Krümmung der Gießpfanne und den geraden Linien gebildet wird, die von beiden Rändern geschmolzenen Kupfers gezeichnet werden.

In der neuen Vorrichtung ist der Gießpfannenboden gekrümmt ausgebildet und die Gießpfanne wird um die gerade Linie, die durch den Mittelpunkt des Krümmungs­ radius des Boden reicht, geneigt. Nun muß das geschmolzene Material, wie beispielsweise ein Metall, nicht zu einer Bewegung beschleunigt werden, sondern es bleibt fast an Ort und Stelle, abhängig von der Viskosität des fraglichen Metalls. Somit überträgt das Verfahren nicht eine fehlerhafte Nachricht einer geänderten Masse auf den Wiegemechanismus. Wenn es an dem Boden der Gießpfanne verbleibt, erlangt das geschmolzene Metall keinen Impuls in irgendeine Richtung und sein Spritzen in der Gießpfanne wird vermindert.

Wenn eine vorgegebene Menge an geschmolzenem Metall in die Gießpfanne eingefüllt wird, wobei diese Menge im allgemeinen das Anodengewicht + das Hintergießmetall ist, und es befolgt wird, daß die Anodenweite die Weite der Gießpfanne bestimmt, wird eine bestimmt Fläche erhalten. Untersuchungen haben nun gezeigt, daß je kleiner der Radius des Gießpfannenbodens im Verhältnis zu der Dicke der geschmolzenen Metallschicht ist, desto näher wird die Rotationsachse der Gießpfanne an die Vorderkante der Form verschoben. Wenn das Verhältnis des Radius des Gießpfannenbodens zu der geschmolzenen Schicht zum Beispiel 1 : 1 ist, bedeutet dies, daß die Gießpfanne während des Gießschritts in der Praxis auf der Form angeordnet sein muß. Eine solche Gießpfanne ist ziemlich schwierig zu unterstützen und insbesondere die Anbringung einer Waage ist in dieser Anordnung schwierig. Wenn der Krümmungsradius des Gießpfannenbodens im Verhältnis zur Dicke der geschmolzenen Schicht groß ist, befindet sich der Schwerpunkt des geschmolzenen Metalls und der Gießpfanne außerhalb der Form. In diesem Fall werden die Waage und der Kippmechanismus viel leichter realisiert.

Andere Vorteile des Verfahrens der vorliegenden Erfindung sind, daß, da die Höhe der geschmolzenen Metallschicht in der Gießpfanne niedrig ist, die Gießhöhe aus der Gießpfanne in die Form während des gesamten Gießvorgangs niedrig bleibt. Diese Tatsache ist zu Beginn des Gießens, wenn das geschmolzene Metall dazu neigt, aus der leeren Form zu spritzen, besonders wichtig.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben, wobei

Fig. 1 das Prinzip der Gießpfanne der Erfindung in verschiedenen Neigungsstadien veranschaulicht,

Fig. 2 die Größen veranschaulicht, die zur Definition einer Gießpfanne mit einem gekrümmten Boden verwendet werden, und

Fig. 3 das Prinzip eines vorteilhaften Wegs zum Antrieb der Gießpfanne der Erfindung veranschaulicht.

Fig. 1A veranschaulicht eine erfindungsgemäße Gießpfanne 1, die mit einem gekrümmten Boden ausgestattet ist, der einen gleichmäßigen Gießvorgang ermöglicht, in einer Position, in der sie noch nicht geneigt ist, d. h. die Neigung beträgt 0°. Die Gießpfanne hat einen gekrümmten Boden 2 und eine auf die Form 3 gerichtete Ausgußrinne 4. Über der Gießpfanne wird die Zwischengießpfanne 5 zur Verfügung gestellt, aus der geschmolzenes Material in die Gießpfanne gegossen wird. Die Oberfläche des geschmolzenen Materials ist mit Nummer 6 bezeichnet. Die Zeichnung veranschaulicht die Seitenwände der Gießpfanne nicht in größerer Einzelheit, aber vorteilhaft sind diese Wände im wesentlichen vertikal. In den verschiedenen Alternativen von Fig. 1 beträgt die Dicke der geschmolzenen Schicht vor dem Beginn des Gießens, wenn sie vertikal gemessen wird, weniger als 1/10 des Krümmungsradius des Gießpfannenbodens.

In Fig. 1B ist die Gießpfanne in solch einem Ausmaß geneigt - in der Zeichnung 4° -, daß die Oberfläche 6′ des geschmolzenen Metalls bereits bis zur Spitze der Ausgußrinne 4 reicht und somit das Gießen begonnen hat.

In Fig. 1C schreitet das Gießen voran und die Neigung ist in diesem Fall 8°. Wenn man Figuren B und C vergleicht, sieht man, wie die Position der Ausgußrinne in Bezug auf die Gußform verschoben wird.

Wie aus den verschiedenen Schritten von Fig. 1 gesehen werden kann, bewegt sich die Spitze der Ausgußrinne während des Gießens horizontal. Es ist ein weiteres wesentliches Merkmal des Verfahrens, daß während eines Gießzyklus die horizontale Bewegung größer ist als die vertikale Bewegung. Eine horizontale Bewegung ist von dem Gesichtspunkt der Anodenform vorteilhaft, da sie die Verwendbarkeitsdauer der Form und des Überzugs erhöht und örtliche Temperaturspitzen vermindert, wenn die Schmelze die Form trifft. Wenn der Punkt, an dem das geschmolzene Metall die Form trifft, sich im Verlauf des Gießverfahrens verschiebt, werden die Wirkungen auf eine größere Fläche verteilt und daher wird die Verwendbarkeitsdauer der Formen verlängert.

Fig. 2 veranschaulicht einige Faktoren zur Bestimmung der Höhe der geschmolzenen Schicht in einer Gießpfanne mit einem gekrümmten Boden. Entsprechend r = dem Radius des gekrümmten Bodens 2 der Gießpfanne 1 und h = die Höhe der geschmolzenen Metallschicht, wenn sie vertikal gemessen wird (= an der dicksten Stelle). Der Winkel des von dem geschmolzenen Metall in der Gießpfanne gebildeten Segments = α. Die horizontale Bewegung der Ausgußrinne der Gießpfanne von dem Beginn bis zu dem Ende des Gießens von geschmolzenem Metall wird mit dem Ausdruck L_h beschrieben und die vertikale Bewegung mit dem Ausdruck L_v. Der mit einer durchgehenden Linie gezeichnete Gießpfannenboden beschreibt die Position der Gießpfanne zu Beginn des Gießens und die gepunktete Linie beschreibt seine Position am Ende des Gießens.

Die Bewegung einer Gießpfanne mit einem gekrümmten Boden verursacht überwiegend horizontale Bewegungskräfte. Die Bewegungsgeschwindigkeiten, d. h die Gießgeschwindigkeit, kann auch erhöht werden, ohne eine signifikante Wechselwirkung in den Messungen zu verursachen.

Da die Höhe der in der Gießpfanne angeordneten geschmolzenen Schicht nur ein Bruchteil, höchstens 1/2, der Länge des Krümmungsradius des Gießpfannenbodens ist, kann durch Verwendung dieses Aufbaus eine niedrige Gießhöhe und eine extrem gute Wägegenauigkeit erreicht werden. Wegen der Größe des Krümmungsradius wird die Gießpfanne nicht an einem Ende angehoben, sondern sie wird eher auf einem im wesentlichen horizontalen Niveau bewegt, in welchem Fall die Bewegungskräfte der Gießpfanne klein sind und die vertikale Verschiebung des Schwerpunkts der Gießpfanne in vertikaler Richtung extrem gering bleibt. Somit bewirkt die Verschiebung des Schwerpunkts der Gießpfanne keine fehlerhafte Information mit der Wirkung eines momentanen Masseanstiegs.

Der Antrieb einer Gießpfanne mit einem gekrümmten Boden muß anders eingerichtet sein, als der einer Gießpfanne mit einem flachen Boden. Der Gießmechanismus bildet einen Teil der zu wiegenden Masse und er sollte so leicht wie möglich sein. In der Praxis bedeutet dies, daß die Gießpfanne von unten unterstützt werden muß, so daß die Kräfte über den kürzest möglichen Weg auf den Sensor übertragen werden können. Eine Unterstützung von unten ist die beste Lösung, auch weil die Gießform an jeder Seite oder an dem Ende gefüllt wird und behindernde Strukturen nicht im Weg sein dürfen. Wenn Antriebstrukturen über der Gießform angeordnet werden, verursacht ihr Schutz gegen Wärme und Spritzer Probleme und erhöht das Gewicht.

Fig. 3 veranschaulicht eine vorteilhafte Art und Weise zum Antrieb der Gießpfanne 1. In Fig. 3A ist die Gießpfanne in ihrer Ausgangsposition (Neigungswinkel 0°) und in Fig. 3B ist sie bis zum Maximum geneigt. Die Gießpfanne 1 ist in einem bewegbaren Gestell 7 angeordnet, das aus mindestens einer gekrümmten Schiene gebildet ist, die mit bearbeiteten, in geeigneter Weise gekrümmten Aussparung zur Verwirklichung der Bewegungsbahn, die sich um den Mittelpunkt der Krümmung des Gießpfannenbodens dreht, ausgestattet ist. Die in dem Waagerahmen 8 angeordneten Lagerrollen 9 und 10 bewegen sich entlang dieser Bewegungsbahn. Mittels einer Stahlfederverkleidung 11, die um die in dem Gestell 7 zur Verfügung gestellten Stifte 12 geführt und an beiden Enden an den Rahmen 8 befestigt ist, können die Führungsschienen geschützt werden, so daß offene Lücken nur im Bereich von wenigen Millimetern liegen, während die Waage ansonsten mit Schutzdeckeln 13 und 14 abgedeckt ist. Es ist wichtig, die Waage angemessen gegen Metallspritzer zu schützen, da die Praxis gezeigt hat, daß mit der Zeit Metallteilchen in nahezu allen möglichen Stellen eindringen. Außer mit einer gekrümmten Aussparung kann die um den Mittelpunkt der Krümmung des Gießpfannenbodens verlaufende Bewegungsbahn auch in einigen anderen geeigneten Arten realisiert werden, zum Beispiel unter Verwendung von mehreren Rollen und einer Führungsschiene.

Der oben beschriebene Aufbau wird vorteilhaft so verwirklicht, daß die Rollen ortsfest sind und sich die Führungsschienen bewegen. Der Schwerpunkt bleibt dann beständig zwischen den Rollen und die Führungsschienen dienen als die Struktur des Gestells, was dabei hilft, das Gewicht des Mechanismus zu erleichtern. Darüber hinaus ist die Kontaktfläche der Führungsschienen mit den Rollen die obere Fläche so daß sich Schmutz nicht auf den Führungsschienen ansammelt.

Das Gestell der Gießpfanne kann auch so konstruiert sein, daß die schützende Verkleidung 11 an einem Ende an dem Rahmen 8 befestigt ist und an dem anderen Ende an dem Gestell 7 mittels eines flexiblen Bauteils, das ein Dehnen in derselben Größenordnung wie das Ausmaß der Gießbewegung erlaubt.

Die Gießpfanne und das darin enthaltene geschmolzene Metall muß nicht angehoben werden, aber die Gießpfanne wird während des Gießschritts hauptsächlich rückwärts gerollt, und daher benötigt das Bewegen der Gießpfanne ziemlich wenig Kraft. Diese Tatsache erlaubt es, mehrere verschiedene Bewegungsvorrichtungen zum Bewegen der Gießpfanne zu planen.

Das Gießverfahren der vorliegenden Erfindung kann auf das Zuteilen von allen flüssigen Materialien angewandt werden, worin die Flüssigkeit im Zusammenhang mit dem Gießen auch abgewogen werden sollte. Die hauptsächlich in Frage stehenden Flüssigkeiten sind die, die nicht mit Ventilen und Durchflußmessern reguliert werden können. Solche Flüssigkeiten sind beispielsweise heiße geschmolzene Metalle.

Die oben beschriebene Konstruktion der Gießpfanne ist so entworfen, daß sie auch in alte Gießereiwerksanlagen eingebaut werden kann.

Claims (13)

1. Verfahren zum Gießen von geschmolzenem Material in eine Gußform (3) aus einer Gießpfanne, die mit im wesentlichen vertikalen Seitenwänden und einer auf die Form gerichtete Ausgußrinne (4) ausgestattet ist, und zum Abwiegen des geschmolzenen Materials im Zusammenhang mit dem Gießen, dadurch gekennzeichnet, daß, um die Gießhöhe des geschmolzenen Materials niedrig und seine Bewegung während des Gießens so gleichmäßig wie möglich zu halten, der Boden (2) der Gießpfanne gekrümmt hergestellt ist, so daß das Verhältnis des Krümmungsradius r des Bodens zur Höhe h der geschmolzenen Materialschicht, die sich vor dem Gießen in der Gießpfanne befindet, wenn sie vertikal gemessen wird höchstens 1/2 beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Gießpfanne (1) bewegt wird, der Mittelpunkt der Krümmung des Gießpfannenbodens (2) während des Gießschritts innerhalb einer Fläche mit einem Durchmesser von höchstens 1/10 des Krümmungsradius des Bodens bleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Krümmungsradius r des Gießpfannenbodens (2) zur Höhe h der geschmolzenen Materialschicht, die sich vor dem Gießen in der Gießpfanne befindet, wenn sie vertikal gemessen wird, höchstens 1/3 beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Krümmungsradius r des Gießpfannenbodens (2) zur Höhe h der geschmolzenen Materialschicht, die sich vor dem Gießen in der Gießpfanne befindet, wenn sie vertikal gemessen wird, höchstens 1/5 beträgt.

5. Verfahren zum Gießen von geschmolzenem Material in eine Form (3) aus einer Gießpfanne (1), die mit im wesentlichen vertikalen Seitenwänden und einer auf die Form gerichtete Ausgußrinne (4) ausgestattet ist, und zum Abwiegen der Menge des geschmolzenen Materials im Zusammenhang mit dem Gießen, dadurch gekennzeichnet, daß, um die Gießhöhe des geschmolzenen Materials niedrig und seine Bewegung während des Gießens so gleichmäßig wie möglich zu halten, der Boden (2) der Gießpfanne gekrümmt hergestellt ist, so daß der durch das geschmolzene Material in der Gießpfanne gebildete Winkel α höchstens 140° beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, um die Gießhöhe des geschmolzenen Materials niedrig und seine Bewegung während des Gießens so gleichmäßig wie möglich zu halten, der Boden der Gießpfanne gekrümmt hergestellt ist, so daß der durch das geschmolzene Material in der Gießpfanne gebildete Winkel α höchstens 90° beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale Bewegung L_h der Ausgußrinne in der Zeitspanne zwischen dem Anfang und dem Ende des Gießschritts weiter ist, als die vertikale Bewegung L_v.

8. Vorrichtung zum Bewegen einer Gießpfanne (1), die mit einem gekrümmten Boden (2) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießpfanne (1) an dem Boden in einem beweglichen Gestell (7) angeordnet ist, das eine Bewegungsbahn bildet, die im wesentlichen um den Mittelpunkt der Krümmung des Gießpfannenbodens verläuft.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Gießpfanne (1) bewegt wird, der Mittelpunkt der Krümmung des Gießpfannenbodens (2) während des Gießens innerhalb einer Fläche mit einem Durchmesser von höchstens 1/10 des Krümmungsradius des Bodens bleibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießpfanne (1) an dem Boden in einem beweglichen Gestell (7) angeordnet ist, das aus mindestens einer gekrümmten Schiene gebildet wird, die mit einer gekrümmten Aussparung ausgestattet ist, worin sich an dem Waagerahmen (8) befestigte Lagerrollen (9, 10) bewegen, und das somit eine Bewegungsbahn bildet, die im wesentlichen um den Mittelpunkt der Krümmung des Gießpfannenbodens verläuft.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß um Stifte (12), die an dem Gestell (7) befestigt sind, eine schützende Verkleidung (11) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die schützende Verkleidung (11) an beiden Enden an den Rahmen (8) befestigt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die schützende Verkleidung (11) an einem Ende an den Rahmen (8) und an dem anderen Ende an das Gestell mittels eines flexiblen Bauteils, das die Gießbewegung erlaubt, befestigt ist.