DE19752400A1 - Bestimmung von Form- oder Formstoffqualität - Google Patents

Description

Aufgabe und technisches Gebiet der Erfindung ist ein Verfahren zur Eigenschaftsbestimmung von tongebundenen Gießereiformstoffen und deren Komponenten an Formstoffproben oder Gießereiformen. Das Verfahren soll den Forderungen einer Qualitätssicherung bei leistungsstarken Formherstellungsanlagen, insbesondere hinsichtlich einer prozeßbegleitenden Kontrolle und Steuerung, entsprechen. Es soll eine komfortable Durchführung der Messungen (zerstörungsfrei, schnell, leicht automatisierbar) ermöglichen und eine ausreichend hohe Aussagefähigkeit gegenüber Veränderungen der Formstoff- und Formqualität und insbesondere gegenüber Veränderungen der Formstoffzusammensetzung besitzen. Die Messungen sollen an definierten Prüfkörpern oder an Gießereiformen während des Herstellungsprozesses erfolgen.

Eine Bewertung der Formstoffeigenschaften erfolgt in der Praxis der konventionellen Formstoffprüfung durch Bestimmung verschiedener technologischer und verarbeitungstechnischer Parameter (z. B. Festigkeits- und Deformationskennwerte). Zu jedem der beim Formen und Gießen durchgeführten Arbeitsgänge existieren spezifische Prüfverfahren; die Vielzahl der heute verwendeten Parameter, es sind über 45 verschiedene bekannt, werden an Probekörpern oder Formstoffschüttungen im Labor ermittelt. Entscheidenden Einfluß auf die Formstoffeigenschaften haben die Komponenten seiner Zusammensetzung und vor allem der bindefähige Tonanteil (Aktivton) und die granulometrischen Kennwerte, vor allem der Schlämmstoffgehalt. Der Aktivton und der Schlämmstoff beeinflussen stark den Wasserbedarf des Formstoffes und tragen dazu bei, daß bei gleichem Befeuchtungszustand des Formstoffes unterschiedliche Festigkeits- und Deformationseigenschaften erreicht werden. Zur Ermittlung der Formstoffzusammensetzung werden Sieb-, Sedimentations- und Adsorbtionsanalysen angewendet. Zwischen den Parametern der Formstoffzusammensetzung und den technologischen und verarbeitungstechnischen Parametern bestehen komplizierte Beziehungen. Die funktionelle Interpretation dieser Beziehungen scheitert u. a. an der prüftechnischen Gestaltung. Die bekannten empirisch ermittelten Beziehungen sind nicht eindeutig, äußerst unstetig und in ihrer Aussagekraft und Gültigkeitsbereich stark begrenzt.

Die konventionelle Laborprüfung besitzt außerdem eine große Trägheit, d. h. die Zeitspanne von der Probenahme bis zur Meßwertverfügbarkeit ist sehr groß. Die angewendeten Sedimentations- und Adsorbtionsanalysen für die Bestimmung des Schlämmstoff- und Aktivtongehaltes sind mit einem hohen zeitlichen Aufwand verbunden und können nicht zur prozeßbegleitenden Überwachung eingesetzt werden.

Die meisten automatischen Systeme (Prüfautomaten) zur prozeßbegleitenden Überwachung und Steuerung optimaler Formstoffeigenschaften benutzen einige aus der konventionellen Formstoffprüfung bekannte technologische und verarbeitungstechnische Parameter: Verdichtbarkeit, Druck-, Scherfestigkeit, Verformungsgrenze. Ein Nachteil solcher Prüfautomaten ist, daß sie die im Produktionsbetrieb auftretenden Schwankungen des Schlämmstoff- und Aktivtonanteils nicht oder äußerst ungenügend registrieren können. Die vom Prüfautomaten ermittelte Änderung der Festigkeits- und Deformationseigenschaften reicht nicht aus, um eine Änderung des Schlämmstoff- und/oder des Aktivtonanteils eindeutig nachzuweisen. Die Aussagekraft der dafür notwendigen Verknüpfungsbeziehungen ist stark begrenzt.

Es sind außerdem Prüfautomaten für prozeßbegleitende Überwachung und Steuerung bekannt, die die Deformationseigenschaften des Formstoffes mittels Ultraschallmessungen bestimmen. Aus der Ultraschallgeschwindigkeit eines definierten Probekörpers werden im Kombination mit weiteren Formstoffparametern Rückschlüsse über die Formstoffzusammensetzung (Schlämmstoff- und Aktivtongehalt) gezogen.

Erfindungsgemäß wird die eingangs angegebene Aufgabe dadurch gelöst, daß man zur Eigenschaftsbestimmung von tongebundenen Gießereiformstoffen und deren Komponenten Messungen der elektrischen Eigenschaften, insbesondere der induzierten Polarisation (IP) an schüttfähigem Formstoff, Formstoffproben oder Gießereiformen durchführt.

Polarisationseffekte treten z. B. in elektrolytleitenden Gesteinen ohne elektrische Leitfähigkeit auf. Sie äußern sich bei Gleichstrommessungen darin, daß beim Anlegen der Spannung eine bestimmte Zeit (Sekunden bis Minuten) bis zum Aufbau des Feldes und nach dem Abschalten bis zum Abbau des Feldes vergeht. Bei Wechselstrommessungen äußern sie sich als Dispersion, die vor allem im niederfrequenten Bereich ausgeprägt ist.

Die wichtigsten festen Bestandteile des tongebundenen Formstoffes sind der Grundstoff Sand, das Bindemittel Ton (meist Bentonit aber auch Kaolinit, Illit u. a.) und (mit wenigen Ausnahmen etwa bei der Herstellung bestimmter Stahlgußsorten) der Zusatzstoff Glanzkohlenstoffbildner. Nach ihrer geologischen bzw. genetischen Herkunft sind die Sande und Tone unverfestigte klastische Sedimente. Als Glanzkohlenstoffbildner werden meist steinkohle- und graphithaltige Stäube verwendet. Mit der Erfindung wird die Übertragung physikalischer Formstoffdaten (bestimmter bzw. bestimmbarer physikalischer Parameter, z. B. induzierte Polarisationsspannung, komplexer Widerstand, Dielektrizitätskonstante) in parameterinvariante Einflußgrößen (z. B. Gehalt und Eigenschaften der Bestandteile, Formherstellungs-, Probeherstellungs- und Meßbedingungen) bzw. in technologisch interessierende Parameter (Festigkeits- und Deformationseigenschaften) mittels einfacher und/oder komplexer Verknüpfungsbeziehungen ermöglicht.

Zur Bestimmung der Höhe der induktiven Polarisation werden erfindungsgemäß zwei unterschiedliche Prüfmethoden eingesetzt:
mittels Gleichstrommessungen oder mittels Wechselstrommesungen an Formstoffproben oder in situ an der Gießform.

Bei Messungen mit Gleichstrom erfolgt eine kontinuierliche oder punktweise Aufnahme von Spannungsabklingkurven, die den zeitlichen Verlauf der Polarisationsspannung nach Abschalten einer den Polarisationseffekt hervorrufenden definierten Erregerspannung beschreibt. Die Aufnahme einer Spannungskurve während des Schaltvorganges, d. h. beim Aufbau des elektrischen Feldes, ist auch möglich.

Die Messung mit Wechselstrom erfolgt im Niederfrequenzbereich, unter 25 kHz und vorzugsweise <=10 kHz. Zur Charakterisierung der induzierten Polarisation werden die scheinbaren Widerstände der Formstoffprobe bzw. der Gießform oder die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom bei mehreren, vorzugsweise bei zwei unterschiedlichen Frequenzen aufgenommen. Eine vollständige Aufnahme der Dispersionskurve ist auch möglich.

Ein Ausführungsbeispiel erläutert die Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Prüfvorrichtung aus einer Prüfhülse 1, einem Preßstempel 2 mit Flächenelektrode 3, einer Meß- und Steuereinheit 4 und einer Auswerteeinheit 5 besteht. Eine Formstoffprobe 6 aus schüttfähigem Formstoff F wird mit Hilfe des Preßstempels 2 in der Prüfhülse 1 unter definierten Bedingungen (Formstoffmenge, Preßdruck, Verdichtungszeit) hergestellt. Während des Pressens oder zum Preßende wird an der Flächenelektrode 3 eine definierte Induktionsspannung angelegt. Die Höhe der Spannung und die Induktionsdauer T werden von einer Meß- und Steuereinheit 4 gesteuert. Nach Ablauf der definierten Induktionsdauer wird die Spannung ausgeschaltet und über die Meß- und Steuereinheit 4 die Abklingkurve der Polarisationsspannung aufgenommen. Fig. 2 zeigt Beispielkurven von unterschiedlichen Formstoffproben. Die einzelnen Formstoffproben/Formen wurden beispielsweise durch Pressen mit 1 MPa hergestellt und mit einer Spannung von 45 V für eine Ladedauer von 10 sec bei einem Ankopplungsdruck von 70 kPa behandelt. Die angegebenen Prüfparameter stellen keine notwendigen Prüfbedingungen dar. Die Prüfparameter, die zum Nachweis der Polarisationseffekte verwendet werden, beschränken sich lediglich auf eine ausreichend hohe Form- bzw. Probestabilität, einen ausreichend hohen Ankopplungsdruck, eine ausreichend hohe Spannung und eine ausreichend lange Induktionsdauer (Ladedauer). Die Form und die Abmessungen der Flächenelektrode beeinflussen zusätzlich die Prüfparameter. Neben der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform mit einem konzentrisch angeordneten Kreis sind Flächenelektroden mit mehreren konzentrischen Kreisen oder solche in eckiger Form möglich. Die in Fig. 1 dargestellte Prüfvorrichtung besitzt eine integrierte Probeherstellungseinrichtung. Prüfgeräte zur Messung an separat hergestellten Probekörpern/Formen werden mit einer Ankoppelvorrichtung ausgestattet. Prüfgeräte zur Messung in situ an der Formmaschine im Betrieb der Anlage werden in der Verdichtungsstation der Formmaschine integriert.

Tongebundene Formstoffe werden als ein Mehrstoffgebilde dargestellt, das im "Mikrobereich" heterogen ist. Die Angaben von physikalischen Parametern beziehen sich auf Volumenbereiche, für die eine "makroskopische Homogenität" vorliegt. Die makroskopische Homogenität wird einerseits durch Einhaltung bestimmter Toleranzen in der stofflichen Zusammensetzung und der Ausbildung im betrachteten Volumenbereich und andererseits durch Relationen zwischen den Dimensionen der Einzelbestandteile und denen der "Probenabmessungen" gewährleistet.

Die unter der Voraussetzung makroskopischer Homogenität aufgenommenen Meßwerte stellen effektive physikalische Parameter dar, die die physikalischen Eigenschaften des Formstoffes als Mehrstoffgebilde widerspiegeln und von den Anteilen und spezifischen Eigenschaften der Bestandteile sowie deren Anordnung und Bindung bestimmt sind.

Die Ursachen der induzierten Polarisation liegen vorrangig in elektrochemischen Effekten. Die induzierte Polarisation tritt dann auf, wenn ein elektrisch leitendes Partikel oder Bereiche und elektrolytisch leitende Bereiche aneinandergrenzen und/oder wenn Porenräume teilweise oder vollständig mit mineralisiertem Wasser gefüllt sind und Zonen verschiedener Beweglichkeit für die Anionen und Kationen des Elektrolyten aneinandergrenzen. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes treten in Abhängigkeit von der Polarität Ladungsverschiebungen auf, die Polarisationserscheinungen verursachen und als effektive physikalische Parameter entsprechend den oben beschriebenen Meßmethoden nachgewiesen werden können. Elektrisch leitende Partikel oder Bereiche sind im tongebundenen Formstoff die Graphitteilchen und kleine Metallpartikel sowie diverse metallische Oxide und Sulfide. Die elektrolytisch leitende Bereiche sind die teilweise oder vollständig tongefüllten Porenräume. Als Elektrolyt fungiert das im Ton enthaltene Zwischenschichtwasser.

Die effektiven physikalischen Parameter der induzierten Polarisation dienen der Bestimmung der Formstoffqualität. Effektive physikalische Parameter der induzierten Polarisation sind kontinuierlich oder punktweise aufgenommene Spannungsabkling- oder Einschaltkurven; charakteristische Punkte oder Teile dieser Kurven; Differenzen und/oder Quotienten der scheinbaren Widerstände oder die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom bei Beaufschlagung mit Wechselspannung.

Unter der Annahme einer praxisrelevanten Formstoffzusammensetzung und konstanter Form- bzw. Probeherstellungsbedingungen kann die Abhängigkeit der Parameter der induzierten Polarisation von der Formstoffzusammensetzung vereinfacht werden. Die Vereinfachung ermöglicht z. B. die in Fig. 2 dargestellte Abhängigkeit der induzierten Polarisationsspannung vom Aktivtongehalt.

Unter Einbeziehung weiterer Formstoffkennwerte (z. B. Wassergehalt bzw. Dielektrizitätskonstante oder elektrische Leitfähigkeit, Korngröße) und/oder technologischer Parameter (Verdichtbarkeit, Schüttdichte u.ä.) werden komplexe Aussagen über die Formstoffzusammensetzung: Aktivtongehalt, Schlämmstoffgehalt und Kohlenstoffgehalt getroffen. Dabei werden Abhängigkeiten verwendet, die mit Hilfe von Regressionsmodellen erstellt sind. Die Bestimmung der Formstoffzusammensetzung erfolgt online in einer mikroprozessorgesteuerten Auswerteeinheit 5, die in der speicherprogrammierten Steuerung (SPS) der Form- oder Sandaufbereitungsanlage integriert ist oder eine selbständige Einheit (Prüfgerät) darstellt. Die Meßergebnisse dienen der Durchführung geeigneter Maßnahmen zur Stabilisierung der Formstoffqualität, z. B. eine entsprechende Rezepturänderung. Die Rezepturänderung erfolgt automatisch oder kann vom Bediener der Formanlage oder der Sandaufbereitungsanlage quittiert werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaft oder Zusammensetzung von schüttfähigen Formstoffen oder schon aus solchen Formstoffen verdichteten Formen der Gießerei- Formherstellung, welches Verfahren die Folge eines auf den Formstoff ausgeübten elektrischen Einflusses von Gleich- oder Wechselspannung auswertet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Formstoff ein tonhaltiger, insbesondere ein tongebundener Formstoff ist und das Verfahren den Gehalt oder die Zusammensetzung von Aktivton bestimmt.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem induzierte Polarisationsspannung, komplexer Widerstand oder Dielektrizitätskonstante bei Beaufschlagung des Formstoffes mit einer niederfrequenten Wechselspannung, insbesondere zwischen 1 Hz und 1 kHz, ausgewertet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Formstoff mit Gleichspannung für eine vorgegebene Ladezeit (T) beaufschlagt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem nach Abschalten der Gleichspannung, also dem Ende der Ladezeit (T), die entstehende Abklingkurve des elektrischen Feldes im Formstoff oder die am Formstoff noch meßbare abklingende Spannung (u_M(t), u_ip(t)) ausgewertet wird (Fig. 2).

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die verzögerte Anklingkurve des elektrischen Feldes in dem Formstoff oder der fertigen Form ausgewertet wird, durch Messung des fließenden Stromes.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4ff, bei dem eine bestimmte Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt oder der gesamte oder nur zwischen zwei Zeiten liegende Flächeninhalt der Abklingkurve oder Anklingkurve der pulsartigen Gleichspannung ausgewertet wird, insbesondere solcher pulsartiger Gleichspannung, deren Ladezeit (T) zwischen 0,1 und 10 sec liegt.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Konsistenz des Formstoffes bei der Herstellung kontinuierlich oder abschnittsweise überprüft oder gemessen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Konsistenz des Formstoffes aufgrund der Messung direkt bei der Verarbeitung des Formstoffes verändert wird, um direkten Einfluß auf den Formstoff und die mit ihm durch Verdichten hergestellten Formen zu nehmen.

10. Vorrichtung zur Durchführung eines der vorgenannten Verfahrensansprüche und zur Messung von Formstoff hinsichtlich seiner Zusammensetzung oder Eigenschaft, welche Vorrichtung

• (a) zwei Elektroden (3) aufweist, um einen Gleichspannungspuls (T) oder ein Wechselspannungssignal auf den verfestigten oder unverfestigten Formstoff zu geben;
• (b) eine Auswerteeinheit (4, 5) aufweist, die nach Abschalten des Pulses oder beim Einschalten des Pulses die durch den Formstoff verursachte Veränderung im Spannungs- oder Stromverlauf oder die Veränderung der Wechselspannung, insbesondere der Phasenlage des Stromes, in einen Meßwert für die Zusammensetzung des Formstoffes (F) umsetzt, um eine Aussage für den Gehalt an Aktivton, Schlämmstoff oder Kohlenstoff zu erhalten.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, die eine Prüfhülse (1) und einen Preßstempel (2) mit Flächenelektrode (3) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Vorrichtung in der Verdichtungsstation der Formmaschine integriert ist, um die verdichtete Form direkt hinsichtlich ihrer Eigenschaften zu messen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, die in der Sand- Befüllungsstation der Formmaschine integriert ist, um unverdichteten, noch schüttfähigen Formstoff hinsichtlich seiner Konsistenz zu messen.