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Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Erstarrens
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eines gegossenen metallischen Werkstoffstückes Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Erstarrens eines gegossenen metallischen
Werkstoffstückes oder dergl. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch vorteilhaft
zur 9nderung der inneren Struktur angewendet werden.
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Derartige Verfahren und Vorrichtungen dienen dazu, Gußstrukturfehler
in Stahl-, Eisen- und Metallblöcken, -stiicken und -stränaen zu reduzieren. Ein
gegossenes Werkstück- beiseiclsweise eine Gußprobe, erstarrt unter Bildung einer
ersten festeren äußeren-Randzone an der Kokillenwand bei Kokillenguß bzw. an der
Pormwand bei Formguß. Diese sogenannte Abschreckzone enthält eine große Anzahl von
ungeordneten Dendriten, die durch starke
Unterkühlung und bei Vorhandensein
vieler Keime entstehen. Zum Inneren des Werkstoffstückes hin bildet sich eine zweite
Zone, namlich eine transkristalline Zone. In dieser Zone führt die Anreicherung
gelöster Fremdstoffelemente in derEestschmelze an der Erstarrungsfront zu einer
Temperaturinversion durch konstitutionelle Unterkühlung und bewirkt ein gerichtetes
Dendritenwachstum. Sofern keine Unterkühlung vorliegt, bilden sich Säulenkristalle
heraus. Die letzte Zone beim Erstarrungsvorgang ist die globulitische Kernzone.
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Mit dicker werdender erstarrter Schicht verlangsamt sich die Wärmeabfuhr;
so bildet sich eine breite Zone konstitutioneller Unterkühlung aus, der Keimbildung
und freies Wachstum der Kristalle folgen.
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Bei Erstarren schrumpft das Volumen des eingegossenen Metalls ein,
so daß ein Spalt zwischen der Kokillenwand bzw. der Formwand und dem Gußstück entsteht,
das in seinem Inneren noch flüssig ist. Hierdurch verlangsamt sich die Wärmeableitung
für das eingegossene Metall. Die Löslichkeit der Fremdelemente in der Schmelze ändert
sich in der festen Phase sprunghaft, wodurch eine laufende Konzentrations- und Erstarrungstemperaturänderung
in der Restschmelze verursacht wird. Können die derart seigernden Elemente oder
Stoffe untereinander chemisch reagieren, so bildet sich ein neues Produkt, sobald
die Konzentrationen dieser Stoffe in der Restschmelze soweit gestiegen siid, daß
die Aktivierungsenergie dazu ausreicht. Das neue Produkt kann aus der RosUclamelzo
ausscheiden oder als Einschluß in der erstarrten Gußprobe bleiben. Ungünstige Einschlüsse
können das Cunstiick unbrauchbar machen. Nicht ausgeschiedene Gase verQrsachen die
bekannten Fehler, wie Porosität, Flocken usw.
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Bei größeren Gußroben oder -stücken entstehen in der Restschmelze,
die durch die verlangsamte Wärmeabfuhr lange Zeit flüssig bleibt, merkliche Konvektionsströmungen,
die Fehler, wie V-Seigerung, Fußsand usw. verursachen. Die zuletzt erstarrte Kernzone
ist mit den meisten der durch Seigerung und verlangsamtes Kristallwachstum hervorgerufenen
Fehler behaftet. Hierzu kommen noch Fehler, wie Makro- und Mikrolunker sowie Schrumpfporen.
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Um die oben beschriebenen Fehler im Endprodukt zu vermeiden oder
zumindest zu reduzieren, wird nach dem derzeitigen Stand der Technik beispielsweise
eine Teilverschrottung des Rohblockes durchgeführt, indem zum Beispiel ein beheiztes
Kopfteil für Makrolunker und ein Fußteil für Fußsand vorgesehen ist. Durch Abschneiden
bzw.
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Abfräsen von einschlußgefährdeten Teilen erhalten die Produkte ihre
Endform. Dabei wächst allerdings mit der Größe des Rohgutstückes der Abfall bei
der Teilverschrottung überproportional.
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Eine Verbesserung der lockeren Kernzone kann in beqrenztem Rahmen
durch Verdichtung mittels Warmverformung erreicht werden. Nachteilig ist aber dabei,
daß, je größer das Werkstück ist, es um so schwieriger ist, die auf die Außenhaut
angebrachte Preßkraft gezielt in die Kern zone zu übertragen, da das Gesamtstück
bei der Warmformgebungstemperatur nlastisch verformbar ist.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, durch Impfen eine frtihzeitige Keimbildung
in der Kernzone anzustreben, um eine Erweiterung der Kernzone auf Kosten der sie
umgebenden transkristallinen Zone zu erreichen. Es wurde auch vorgeschlagen durch
Anlegen von elektromagnetischen
Rührwerken Dendritenspitzen von
der transkristallinen Zone mitzureißen und frei in die Kernzone wachsen zu lassen.
Dieses letztgenannte Verfahren ist allerdings über das Versuchsstadium nicht hinaus
gekommen und zur Zeit in keiner Weise gewerblich verwertbar.
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Schließlich ist noch das Umschmelzen eines Rohblocks, der durch ein
Normalschmelzverfahren hergestellt worden ist, bekannt. Dieses Verfahren ist allerdings
äußerst teuer, so daß es nur in Sonderfällen angewendet werden kann. Außerdem ist
dieses Verfahren nur zur Produktion von Stücken begrenzter Große anwendbar. Xür
sehr große Blöcke wurde versuchsweise die Kernzone eines gelochten Rohgußblockes
durch Umschmelzen eines zweiten Blockes unter Schlacke ausgefüllt, wobei allerdings
die Gefahr besteht, daß nachteiligerweise nichtmetallische exogene Einschlüsse in
der Trennwand zwischen Rohblockumfang und umgeschmolzener Kernzone haften bleiben.
Daher ist das Ausschußrisiko bei diesem, - im übrigen auch sehr teuren Verfahren
noch außerordentlich hoch.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der
obengenannten Nachteile ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen
die Innenstruktur während des Erstarrungsvorganges durch die Bildung einer erweiterten,
feinkörnigen Kernzone verbessert wird, indem ein schnelles Wachstum von vielen neu
geschaffenen Keimen und eine beschleunigte Wärmeabfuhr aus dem Inneren erreicht
werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß der nicht erstarrte metallische Werkstoff, insbesondere
die
Restschmelze einerGußprobe, mindestens einmal bei nicht steigender Temperatur mittels
eines ansteigenden Magnetfeldes aufmagnetisiert und anschließend abrupt ohne Zufuhr
äußerer Wärme entmagnetisiert wird.
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Erfindungsgemäß wird also in der sich oberhalb des Curiepunktes befindenden,
paramagnetischen Restschmelze von gegossenen Metall-, insbesondere Eisenwerkstoffen
ein Kälteschock durch adiabatische Entmagnetisierung im Gußinneren angewendet.
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Vorteilhafterweise werden beim Magnetisieren der Restschmelze im Gußinneren
eines Gußstücks beim Aufbringen eines Magnetfeldes zusätzlich gelöste Gase, wie
H2, N2 usw., die sich diamagnetisch verhalten, zum Entweichen gezwungen. Der abruPte
Kälteschock fördert die Bildung neuer und beschleunigt das Wachstum vorhandener
Kristallkeime. Durch die nachfolgende Strömung in der entspannten Restschmelze ergibt
sich ein Konzentrationsausgleich. Zusätzlich hat die schockartige Wirkung der Entspannung
einen direkten Einfluß auf die Wanderungsgeschwindigkeit von Erstarrungs-, Delta-
und Gammafronten bis tief in den Kernbereich des Gußstückes, so daß Gefügeumwandlungen,
Umkristallisation und Kornverfeineruna mit sich ergebenden positiven Eigenschaftsänderungen
die folge sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, daß mehrere Male bei nicht steigender Temperatur magnetisiert und
anschließend abrupt entmagnetisiert wird.
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Eine andere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß insbesondere bei
in festem Zustand ferromagnetische Stoffe Maximalfeldstärken von mehr als 1.000
Oersted angelegt
werden. Hierdurch wird erreicht, daß ein wesentlicher
Anteil der Magnetfeldenergie des angelegten Magnetfeldes auch bei ferromagnetischen
Stoffen tatsächlich in das paramagnetische Innere des Gußstückes gelangt, da bei
einem solch hohen Magnetfeld die Induktivität der äußeren ferromagnetischen Randschichten
sich im Sättigungsbereich befindet.
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Eine äußerst bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus,
daß das -Magnetisierungs feld in den den zur Erstarrung zu bringendenWerkstoff umgebenden
Spulen durch einen ansteigenden Spulenstrom erzeugt wird, wobei insbesondere vorgesehen
sein kann, daß der Magnetisierungsstrom erst nach Ablauf einer vorbestimmten Pause
wieder langsam erhöht wird. Durch dieses wiederholte Anlegen des Magnetfeldes nach
einer vorgegebenen Pause wird erreicht, daß von einem bestimmten Zeitpunkt an ausreichende
Unterkühlung sowie Keimbildungs- und Kristallwachstumsbedingungen derKernzonegegeben
sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst die obengenannte Aufgabe dadurch,
daß um die Gußprobe des Werkstoffstückes Elektromagnete angeordnet sind, die mit
einer gepulsten, langsam ansteigenden, momentan abfallenden Gleichstrom liefernden
Stromquelle verbunden sind.
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Dabei ist in bevorzugter Ausgestaltung insbesondere vorgesehen, daß
zur Regelung der fließenden Stromstärke während der Anstiegszeit des Magnetfeldes
ein über einen sich aufladenden Kondensator gesteuerter Feldeffekt-Transistor vorgesehen
ist. Als Feldeffekt-Transistor wird insbesondere ein Feldeffekt-Transistor aus einem
Metalloxidhalbleiter des n-Verarmungstyps (MÖSFET) eingesetzt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt bzw.
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zeigen: Fig. 1 ein Entropie-Temoeratur-Diagramm der paramagnetischen
Schmelze bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 2 das an die Schmelzprobe
angelegte Magnetfeld in Abhängigkeit der Zeit; Fig. 3 im Diagramm einen schematischen
Schnitt durch die Gußprobe mit Angabe der Temperatur- und Permeabilitätsverhältnisse;
Fig. 4a Anordnungen des Magneten der erfindungsgebis 4c mäßen Vorrichtung um verschiedene
Gießproben; und Fig. 5 ein Schaltschema der Stromversorgung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Zur Durchführung des Verfahrens zum Steuern des Erstarrens eines gegossenen
metallischen Werkstoffstückes, welches im folgenden als Gußprobe bezeichnet wird,
wird zu einem Zeitpunkt 1 (Fig. 2) ein an einer Gußprobe 10 (Fig. 4) angelegtes
Magnetfeld H von einem Ausgangswert Ho -der natürlich auch gleich 0 sein kann -
langsam über eine Zeitdauer t1 bis zu einem Maximalwert des Magnetfeldes H1 erhöht.
Nach Beendigung der Zeitdauer t1 wird das Magnetfeld H in einem Zeitpunkt #2 momentan
zu seinem '2 Ausgangswert Ho heruntergeschaltet. Das Magnetfeld H wird dann über
eine zweite Zeitdauer t2 auf dem minimalen Ausgangswert 11o gehalten, bis es nach
Beendigung der Zeitdauer t2 zu einem Zeitpunkt #3 wieder eingeschaltet wird 3 und
bis zu seinem Maximalwert H. nach der Zeitdauer t1
anwachsen kann.
Dieses langsame Anwachsenlassen des Magnetfeldes H und das abrupte Herunterschalten
werden wiederholt durchgeführt.
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Beim langsamen Anschalten des Magnetfeldes H vom Ausgangswert Hg zum
Maximalwert H. wird in der oberhalb der Curietemperatur befindlichen, paramagnetischen
Restschmelze 12 der Gußprobe 10 durch Ausrichtung der Elementarmagnete die Entropie
S derpestschmelze auf den Wert erniedrigt, der der durch das Feld H. gegebenen Ordnung
bei der vorgegebenen Umgebungstemperatur entspricht. Beispielsweise geht bei der
Temperatur T1 die Entropie von S1 zu S2 über.
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Wird nun das Magnetfeld H vom Wert H. momentan auf den Wert Hg erniedrigt,
ohne daß sich dabei die Entropie des Magnetsystems ändert entspricht die Ordnung
des Elementarmagnetsystems einer tieferen Temperatur als die gleiche Ordnung bei
Anwesenheit des Feldes. Wird also das Feld H. bei der Temperatur T1 momentan entfernt,
so fällt bei gegebener Entropie S2 die Temperatur des Elementarmagnetsystems auf
T2 bei dem Ausgangsfeld H . Dieser Vorgang wird bei wechselweisem An- und Ausschalten
des an der Gußprobe 10 angelegten Macnetfeldes H wiederholt.
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In Fig. 3 ist ein schemaitscher Ouerschnitt durch die Gußprobe 10
mit den in der Gußprobe 10 gegebenen Temperatur- und Permeabilitätsverhältnissen
dargestellt. Bei einem gegebenen äußeren Feld hat dieses nur einen verminderten
Einfluß auf die schmelzflüssige Kernzone oder Restschmelze 12, solange nicht im
Sättigungsbereich der äußeren erstarrten ferromagnetischen Bereiche gearbeitet wird.
Um daher die angebrachte Magnetisierungsenergie
weitgehend auch
in die Zone der paramagnetischen Restschmelze 12 mit der höheren Temperatur wirkungsvoll
einzubringen, wird mit einem Magnetfeld von etwa Tausend Oersted gearbeitet.
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Liegt bei einem der Schritte der momentanen Erniedrigung des Magnetfeldes
H die Temperatur der Restschmelze 12 bei der Erstarrungstemperatur, so ergibt sich
eine Abkühlung durch Entmagnetisierung unter die Erstarrungstemperatur auf eine
Temperatur, die in Fig. 3 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Bei diesen
Vorgang werden eine Keimbildung verursacht und das Wachstum vorhandener Kristalle
beschleunigt. Durch nachfolgendes Strömen der entspannten Restschmelze wird ein
Konzentrationsausgleich bewir]ct. Die schockartige Entmagnetisierung hat auch einen
Einfluß auf die Wanderungsgeschwindigkeit von in den Randbereichen vorhandenen Erstarrungs-,
Delta- und Gammafronten usw. bis hin zur Restschmelze 12 der Gußprobe 10, was eine
Gefügeumwandlung, Umkristallisation und Kornverfeinerungen bewirkt, wodurch die
Eigenschaften der Gußprobe 10 positiv beeinflußt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Erstarrens eines
gegossenen metallischen Werkstoffstückes besteht aus einem um das erstarrende Gußstück
10 angeordneten Elektromagneten 14 (Fig. 4) sowie einer Schalteinrichtung 16 (Fig.
5). In Fig. 4a ist ein Kokillenguß dargestellt, bei dem das Gußstück 10 in einer
Kokille 18 zum Erstarren gebracht wird. Der Elektromagnet 14 ist um die das Gußstück
10 umgebende Zylinderwand 20 der Kokille 18 herumgelegt. Eine Kühlung mittels Wasser
wird über einen Zufluß
22 und einen Abfluß 24 vorgenommen. Mittels
einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) können über eine Öffnung 26 aus der Gußprobe 10
ausgetriebene diamagnetische Gase, wie beispielsweise H2, N2 usw., entfernt werden.
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In Fig. 4b ist die Anordnung der Elektromagnete 14 um die Gußprobe
10 bei einem Formguß dargestellt. Die Magnete 14 sind so in der Formhülle 28 angeordnet,
daß das Magnetfeld optimal im Kernbereich der Gußprobe 10 wirkt, wo eben die Restschmelze
12 vorhanden ist.
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Gemäß den in Fig. 4c dargestellten Ausführungsbeispiel sind die das
Magnetfeld erzeugenden Elektromagnete 14 um den Weg der strangförmigen Gußprobe
10 bei einem Strangguß dargestellt. Dabei sind mehrere Elektromagnete mit ansteigender
Windungszahl im Endteil der metallurgischen Länge des Stranggusses hintereinander
angeordnet.
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Die Elektromagnete 14 werden durch Anschlüsse 30 und 32 von einer
als gesteuerte Stromquelle dienenden Schalteinrichtung über Anschlüsse 30 und 32
mit gepulstem Gleichstrom beaufschlagt.
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Das Schaltschema eines Ausführungsbeispiels der Stromquelle 16 der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Schalteinrichtung oder
gesteuerte Stromquelle 16 besteht im wesentlichen aus einerVersorgungsstufe 34,
einer sich anschließenden monostabilen Kippstufe 36, die mittels eines Nullgang-Signals
aus einem Null-Signalgeber 38 angesteuert wird,und einem sich an die monostabile
Kippstufe anschließenden astabilen Multivibrator
40, der Nadelimpulsgeber
42 für die Thyristoren Th1 und Th2 einer sich anschließenden Thyristorstufe 44 aufweist.
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Die Versorgungsstufe 34 enthält im wesentlichen einen Transformator
Tr.; der Stram wird durch einen Gleichrichter 46 in Brückenschaltung und durch einen
Kondensator C1 geglättet. Die maximale Stromstärke wird dabei durch den Transformator
Tr festgelegt. In der Versorgungsstufe ist noch ein Relaisumschalter Rl1 vorgesehen,
der bei Netzstromausfall in Kurzschlußstellung für den Kondensator C1 geht. Der
RelaisumschalterR11 ist aus Sicherheitsgründen vorgesehen.
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Die monostabile Kippstufe 36 reguliert den Strom vom Transformator
Tr durch Anschnittsteuerung. Sie empfängt hierzu ein Nullgang-Signal aus dem Nullsignalgeber
38, der im wesentlichen aus einem handelsüblichen, unter der Bezeichnung SN 7400
erhältlichen integrierten Schaltkreis besteht. Die monostabile Kippstufe 36 verarbeitet
je nach Einstellung von Potentiometern R1 für den Nullstrom und R3 für den Ruhestrom
in der Pausenzeit und den jeweiligen Zuständen von Optokopplern OK1 und OK2 den
Zündwinkel für einen in der Versorgungsstufe 34 angeordneten Thyristor Tk, dem in
der Kippstufe 36 ein weiterer Nadelimpulsgeber 42 zugeordnet ist.
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Der astabile Multivibrator 40 liefert Zündstromimpulse zum Ein- und
Ausschalten der Thyristoren Th1 und Th2 nach den vorbestimmten Schaltzeiten t1 und
t2, wobei die Zeit t1 die Anstiegszeit des Magnetfeldes H vom Ausgangsfeld Hg zum
Endfeld H. ist, während die Zeit t2 die Pausenzeit ist, bei der das Magnetfeld H
minimal ist. Die Zeiten t1 und t2 werden durch Potentiometer R4 und R5 sowie Kondensatoren
C3 und C4 geregelt. Über den Nadelimpulsgeber 42 für die Thyristoren Th1 und Th2
wird bei festgelegter
Kapazitanz des jeweiligen Kondensators C5
die Zündimpulsdauer der Thyristoren Th1 und Th2 je nach Typ und Belastungsart derselben
mit Hilfe eines jeweiligen Trimmers RT festgelegt Die Impulse selbst werden dabei
als Antwort auf eine in einen als monostabile Kippstufe arbeitenden integrierten
Schaltkreis eingehende Schaltflanke ausgegeben, wie er beispielsweise unter der
Bezeichnung SN 74 1 21 erhältlich ist.
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Als wesentliches Element weist der astabile Multivibrator 40 einen
Feldeffekt-Transistor auf Metalloxid-Halbleiterbasis des n-Verarmungstyps T (D4OSFET)
auf, der während der Anstiegszeit t1 durch den sich aufladenden Kondensator C4 gesteuert
wird, wobei der Feldeffekt-Transistor T je nach Spannungsabfall zwischen den Kondensatorplatten
mehr oder weniger Leitfähigkeit aufweist, wodurch sich wiederum die Leitfähigkeit
des Optokopplers OK1 ändert, während zur Zeit t1 der Optokoppler OK2 undurchlässig
bleibt, dagegen während der Zeit t2 durchlässig wird, wobei der Optokoppler OK1
durch einen Optokoppler OK3 gesperrt wird. Die Steuerung dieses Schaltvorgangs erfolgt
über das Potentiometer R3.
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Von den Thyristoren ist der Thyristor Th1 der Hauptthyristor und Th2
der Löschthyristor Ein Relaisschalter P12 schließt während der Pausenzeit t2 etwaige
Stromschwankungen kurz. Die dosierte Gleichstrommenge von der Versorgungsstufe 34
wird über die Anschlüsse 30 und 32 im Elektromagneten 14 in der qewünschten Form
durch die Schaltvorgänge der Schalteinrichtung 16 zugeliefert.
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Bei der dargestellten Ausführungsform wurde von einer Schaltung in
Transistor-Transistor-Logik (TTL) ausgegangen,
während bei längeren
Periodendauern die Verwendung von Feldeffekttransistor-Bausteinen sein kann.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den
Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in
beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen
Ausführungen wesentlich sein.