DE19752400A1 - Method and apparatus for determining the quality of a mold or mold material - Google Patents
Method and apparatus for determining the quality of a mold or mold materialInfo
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Abstract
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.The object and technical field of the invention is a method for determining the properties of clay-bound foundry molding materials and their components on molding samples or foundry molds. The procedure is intended to meet the requirements of quality assurance powerful mold making equipment, in particular with regard to process monitoring and control, correspond. The aim is to carry out the measurements comfortably (non-destructive, fast, easy to automate) and a sufficiently high level of information Changes in molding material and mold quality and in particular against changes in the composition of the molding material. The measurements should be carried out on defined test specimens or on Foundry molds are made during the manufacturing process.
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.The properties of the molding material are evaluated in practice conventional molding material testing by determination various technological and processing technology Parameters (e.g. strength and deformation parameters). To each of the operations performed in molding and casting there are specific test procedures; the multitude of today parameters used, over 45 different ones are known, are on test specimens or moldings in the laboratory determined. Decisive influence on the properties of the molding material have the components of its composition and especially the bindable clay portion (active clay) and the granulometric Characteristic values, especially the sludge content. The active tone and the sludge strongly affect the water requirements of the Molding material and contribute to the same Moisture state of the molding material different Strength and deformation properties can be achieved. To determine the composition of the molding material, sieve, Sedimentation and adsorption analyzes applied. Between Parameters of the molding material composition and the technological and processing parameters are complicated Relationships. The functional interpretation of these relationships fails u. a. on the test engineering design. The well-known empirically determined relationships are ambiguous, extreme inconsistent and strong in their expressiveness and scope limited.
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.The conventional laboratory test also has a large one Laziness, d. H. the period from sampling to Measured value availability is very large. The applied Sedimentation and adsorption analyzes for the determination of the Sludge and active clay content are high time involved and can not process monitoring can be used.
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.Most automatic systems (automatic testers) for process monitoring and control more optimal Mold properties use some from the conventional Well-known technological and molding materials testing processing parameters: compressibility, pressure, Shear strength, deformation limit. A disadvantage of such Automatic testing machine is that they are in production fluctuations in the proportion of sludge and active clay cannot register or can only register very insufficiently. The ones from Automatic testers determined change in strength and Deformation properties are not sufficient to change the Sludge and / or the proportion of active clay clearly to prove. The meaningfulness of the necessary Linking relationships are severely limited.
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.There are also automatic testers for process monitoring and control known that the deformation properties of the Determine the molding material using ultrasound measurements. From the Ultrasound speed of a defined test specimen in combination with other molding material parameters about the molding material composition (sludge and Active clay content).
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.According to the invention the object specified above is thereby solved that one for determining the properties of clay-bound Foundry materials and their components measurements of electrical properties, especially the induced Polarization (IP) on pourable molding material, molding samples or foundry molding.
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.Polarization effects occur e.g. B. in electrolytic Rocks without electrical conductivity. You express yourself in direct current measurements in that when the voltage is applied a certain time (seconds to minutes) before the Field and after switching off until the field is cleared. In AC measurements, they manifest themselves as a dispersion, the is particularly pronounced in the low-frequency range.
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.The main fixed components of the clay-bound The basic material is sand, the binder clay (mostly Bentonite but also kaolinite, illite and. a.) and (with a few Exceptions, for example in the production of certain types of cast steel) the additive shiny carbon former. According to their geological the sands and clays are unconsolidated or of genetic origin clastic sediments. Most are used as glossy carbon formers hard coal and graphite-containing dusts are used. With the Invention is the transfer of physical molding material data (specific or determinable physical parameters, e.g. induced polarization voltage, complex resistance, Dielectric constant) in parameter-invariant influencing variables (e.g. content and properties of the components, Mold making, sample making and measuring conditions) or in technologically interesting parameters (strength and Deformation properties) by means of simple and / or complex Link relationships enabled.
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.According to the invention, two different test methods are used to determine the level of inductive polarization:
by means of direct current measurements or by means of alternating current measurements on molding samples or in situ on the casting mold.
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.For measurements with direct current there is a continuous or point-by-point recording of voltage decay curves that the temporal course of the polarization voltage after switching off one that defines the polarization effect Excitation voltage describes. The inclusion of a voltage curve during the switching process, d. H. when building the electrical Field, is also possible.
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. The measurement with alternating current takes place in the low frequency range, below 25 kHz and preferably <= 10 kHz. For characterization The induced polarization becomes the apparent resistance the molding sample or the mold or the phase shift between voltage and current in several, preferably two different frequencies recorded. A complete Recording of the dispersion curve is also possible.
Ein Ausführungsbeispiel erläutert die Erfindung.An embodiment explains the invention.
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. Fig. 1 shows an embodiment in which a test device consists of a test sleeve 1 , a press ram 2 with surface electrode 3 , a measuring and control unit 4 and an evaluation unit 5 . A molding material sample 6 made of pourable molding material F is produced with the help of the press ram 2 in the test sleeve 1 under defined conditions (amount of molding material, pressing pressure, compression time). A defined induction voltage is applied to the surface electrode 3 during the pressing or at the end of the pressing. The level of the voltage and the induction period T are controlled by a measuring and control unit 4 . After the defined induction time has elapsed, the voltage is switched off and the decay curve of the polarization voltage is recorded via the measuring and control unit 4 . Fig. 2 shows example curves of different molding material samples. The individual molding material samples / molds were produced, for example, by pressing at 1 MPa and treated with a voltage of 45 V for a charging period of 10 seconds at a coupling pressure of 70 kPa. The specified test parameters do not represent any necessary test conditions. The test parameters that are used to demonstrate the polarization effects are only limited to a sufficiently high shape or test stability, a sufficiently high coupling pressure, a sufficiently high voltage and a sufficiently long induction period (charging time) . The shape and dimensions of the surface electrode also influence the test parameters. In addition to the embodiment shown in FIG. 1 with a concentrically arranged circle, surface electrodes with several concentric circles or those with an angular shape are possible. The test device shown in FIG. 1 has an integrated sample production device. Test devices for measurement on separately manufactured test specimens / molds are equipped with a coupling device. Test devices for measuring in situ on the molding machine in the operation of the system are integrated in the compression station of the molding machine.
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.Clay-bound molding materials are called a multi-component structure shown, which is heterogeneous in the "micro range". The details of physical parameters refer to volume ranges, for which there is "macroscopic homogeneity". The Macroscopic homogeneity is achieved on the one hand through compliance certain tolerances in the material composition and the Training in the volume area under consideration and on the other hand through Relations between the dimensions of the individual components and those of the "sample dimensions" guaranteed.
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.The assuming macroscopic homogeneity Measured values are effective physical parameters represents the physical properties of the molding material as Multi-material structures reflect and of the proportions and specific properties of the components and their Arrangement and binding are determined.
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. The causes of the induced polarization are primarily in electrochemical effects. The induced polarization occurs then when an electrically conductive particle or areas and adjoin electrolytically conductive areas and / or if pore spaces are partially or completely mineralized Are filled with water and zones of different mobility the anions and cations of the electrolyte are adjacent. When applying an electrical field occur dependency on the polarity of charge shifts on that Cause polarization phenomena and as effective physical parameters corresponding to those described above Measurement methods can be demonstrated. Electrically conductive Particles or areas are in the clay-bound molding material Graphite particles and small metal particles as well as various metallic oxides and sulfides. The electrolytically conductive Areas are partially or fully clay-filled Pore spaces. The contained in the clay acts as the electrolyte Interlayer water.
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.The effective physical parameters of the induced Polarization is used to determine the quality of the molding material. Effective physical parameters of the induced polarization are recorded continuously or point by point Voltage decay or turn-on curves; characteristic points or parts of these curves; Differences and / or quotients of the apparent resistances or the phase shift between Voltage and current when AC voltage is applied.
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.Assuming a molding composition relevant to practice and constant molding or sample production conditions, the dependence of the parameters of the induced polarization on the molding composition can be simplified. The simplification enables z. B. the dependence of the induced polarization voltage on the active tone content shown in FIG. 2.
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.Including other molding material parameters (e.g. water content or dielectric constant or electrical conductivity, grain size) and / or technological parameters (compressibility, bulk density, etc.), complex statements are made about the molding material composition: active clay content, sludge content and carbon content. Dependencies that are created using regression models are used. The composition of the molding material is determined online in a microprocessor-controlled evaluation unit 5 , which is integrated in the programmable logic controller (PLC) of the molding or sand processing plant or which is an independent unit (testing device). The measurement results are used to carry out suitable measures to stabilize the quality of the molding material, e.g. B. a corresponding recipe change. The recipe change takes place automatically or can be acknowledged by the operator of the molding plant or the sand processing plant.
Claims (13)
- (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.
- (a) has two electrodes ( 3 ) for applying a DC voltage pulse (T) or an AC voltage signal to the solidified or unconsolidated molding material;
- (b) has an evaluation unit ( 4 , 5 ) which, after switching off the pulse or when switching on the pulse, changes in the voltage or current profile caused by the molding material or the change in AC voltage, in particular the phase position of the current, into a measured value for the Reacts composition of the molding material (F) to obtain information about the content of active clay, slurry or carbon.
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