DE3216432A1

DE3216432A1 - Verfahren und vorrichtung zum giessen von elektrodengittern fuer elektrische akkumulatoren

Info

Publication number: DE3216432A1
Application number: DE19823216432
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr. Dipl.-Ing. 3000 Hannover Golz
Original assignee: VARTA Batterie AG
Current assignee: VARTA Batterie AG
Priority date: 1982-05-03
Filing date: 1982-05-03
Publication date: 1983-11-03
Also published as: FI74168C; ES522010A0; DE3367175D1; NO157439B; US4903753A; FI74168B; FI831355L; CA1198157A; ES8402467A1; EP0093386A3; ES522011A0; ATE23122T1; EP0093386B1; EP0093386A2; NO831037L; FI831355A0; ES8402466A1; NO157439C

Description

V/erfahren und Vorrichtung zum Gießen von Elektrodengittern für elektrische Akkumulatoren.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Elektrodengittern für elektrische Akkumulatoren in einer Gießform sawie ' eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Technologie des Gittergießens ist in der Vergangenheit

den Erfordernissen eines zügigen Arbeitsablaufes bei der Akkumulatorenherstellung hauptsächlich durch Einführung leistungsfähiger Mehrfachgittergießmaschinen, Automatisierung der Ar* beitsvorgänge oder Verfeinerung der Werkzeuge nachgekommen.

Die Verfahrensweise an sich ist im wesentlichen unverändert geblieben. Eine ausführliche Beschreibung findet man u. a. bei P.3. Moll, "Die Fabrikation von Blei-Akkumulatoren", 2. Auflage, Akademische Verlagsgesellschaft, Geest & Portig KGy Leipzig 1952, Seite 278 ff. Danach werden Akkumulatorengitter, insbesondere für Blei-StarterbBtterien, in aufklappbaren Gittergießformen hergestellt, in die die flüssige Bleilegierung aus dem Schmelzkessel meist drucklos einläuft. Wegen des relativ geringen Uärmeinhalts der dünnen Startergitter sind in der Regel Formbeheizungen vorgesehen, die einen zu raschen üJSrmeabfluQ verhindern. Andererseits muß auch für eine Kühlung der Gießformen gesorgt werden, ωεπη eine beim laufenden Betrieb entstandene Überhitzung mit dadurch bedingten längeren Abkühlzeiten bis zur Erstarrung des Bleis wieder abgebaut werden soll. Zu diesem Zweck sind die Gießformen mit Kanälen für den Durchfluß von Kühlwasser versehen.

Besondere Sorgfalt ist bei der Oberflächenbehandlung der Gießform am Platze, da der Gießling an den Wänden nicht haften darf . und sich gut entformen lassen soll. Die Aufbringung einer thermi-30

sehen Schutzschicht auf die Farm-Oberfläche geschah früher durch Pudern mit Talkum oder anderen Formpudern, wodurch man auch ein gutes "Laufen" des Schmelzgutes erzielte. Das Pudern ist gewöhnlich nach einer Arbeitsschicht (3000 bis 500D GuB) verbraucht und muß nach Reinigung der Gießform erneuert werden. Neben dem Puder hat sich für die Vorbehandlung der Gießform auch eine Korkmehl-üJasserglas-Aufschlämmung bewährt, die mit«= tels Spritzpistole verstäubt wird (vgl. C. Drotschmann "Slei-Akkumulatoren", V/erlag Chemie GmbH, tdeinheim/Bergstraße, 1951, Seite 113 ff). Die Haltbarkeit des Korkmehl-Überzuges ist um so besser, je dünner der Auftrag ist. Die Korkmehl-Bahandlung ist die heute vorzugsweise angewendete Methode.

Bei dem im Vorstehenden nur grob skizzierten Stand der Technik konnten jedoch bestimmte Mängel der Verfahrensweise beim Gießen bisher nicht abgestellt werden:

Auf der einen Seite bewirkt die Korkmehlschicht während des Farmfüllens einen Wärmestau, welcher verhindert, daß die Schmelze in Anbetracht der geringen Wärmekapazität des Bleies vorzeitig erstarrt, ehe die Form vollständig ausgefüllt ist; das Harkmehl hält ferner für die verdrängte Luft eine Passage entlang den Farmwänden offen und erleichtert die Entformbarkeit des Gießlings.

Andererseits ist aber gerade die üJärmeisalationswirkung des Korkmehlauftrages nachteilig, wenn eine schnelle Erstarrungszeit aus Gründen kürzerer Herstellzeiten gefordert wird. Erstrebenswert erscheint es auch, wenn auf das immer wiederkehrende Reinigen der Formen (Abarbeiten der gesamten Beschichtung) und den anschließenden Neuaufbau der Korkmehl-SD beschichtung, sowie das sporadisch notwendige Nachspritzen der Beschichtung an mechanisch beschädigten Stellen verzichtet werden kann.

Man kann dies erreichen durch Verwendung von z.B. keramischem Formmaterial, das trotz einer für die Luftführung ausreichenden Porosität im Verhältnis zur Harkmehlschicht aber eine geringere

UJärmeisDlationsujirkung besitzt. Dies macht es erforderlich, entweder mit der Temperatur der Schmelze oder mit der Form-Temperatur nennenswert höher zu gehen, um ein Ausfüllen der Form zu gewährleisten. Eine verlängerte Taktzeit ist die Folge. Dill man bei kurzer Taktzeit tleioen Dder diese mit dem Ziel höherer Ausbringung sogar noch verkürzen, so ist eine vollständige Formfüllung nicht ohne weiteres zu erreichen. .

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Taktzeit des Gittergießens zu verkürzen, den Wärmewiderstand zu vermindern und den üJärmeabfluß bus dem Schmelzgut im Sinne eines . größeren üJärmegradienten zu beschleunigen, wobei das sichere Ausfüllen der Form gewährleistet bleiben muß. Daneben soll die umständliche Formvorbehandlung durch Einsprühen entfallen und auch die Standzeit der Form verlängert werden. Ferner soll durch Verkürzung der Erstarrungszeit eine Verbesserung der GuBqualität durch weitere Verfeinerung der Kristallstruktur bei sogar verbilligter Legierung erzielt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die . während des Einfüllvorganges aus dem Schmelzgut durch Wärmeleitung abfließende Wärme durch einen zusätzlichen Wärmeimpuls zumindest teilweise kompensiert wird.

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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung sollen im folgenden anhand. zweier Schaubilder erläutert werden.
Figur 1 zeigt schematisch den Abkühlungsverlauf der Gießlinge unter den gewöhnlichen und den erfindungsgemäßen Gießbedingungen, figur 2 zeigt eine Gittergießform, die mit einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ausgestattet· ist.. In Figur 1 ist der Verlauf der Temperatur T des Schmelzgutes Ober der Zeit t aufgetragen. Der Einlauf der Bleischmelze in die Gießform beginnt zum Zeitpunkt t und sei bei t, beendet,

T ' iiiobei die Einlauf temperatur T ist. Die Abkühlung setzt bereits ein, noch ehe die Gießform vollständig ausgefüllt ist, die Abkühlungsrste ist aber wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der Horknehlschicht schleppend, so ds3- erst nach einem längeren Zeitintervall - Zeitpunkt t, - der Erstarrungspunkt T„ der Schmelze und bei t_R schließlich cie Entformungstemperatur T, .des Gießlings erreicht werden (Kurve A). Es ergibt sich somit eine lange Taktzeit t_fl - t*, hier aus Vereinfachungsgründen so genannt, obwohl sie genau genommen nur die Verweilzeit des Bleis in .der Form bzw. die Zeit, in der die Form geschlossen ist, umfaBt. Die eigentliche Maschinentaktzeit ergibt sich durch Hinzuaddieren der Zeit für das Öffnen der Form, der Dffenhaltezeit und der Zeit für das Schließen der Form, die jedoch alle sehr kurz sind., Würde man allein durch intensive Kühlung oder anderweitige günstigere UärmeBbleitungsbedingungen dafür Borgen, daß die Bleischmelze bereits bei t_ erstarrt und die Taktzeit mit der Entformung bei t, endet, liefe men Gefahr, daß die Gießform nicht vollständig aufgefüllt ist oder daß, wenn T. und T nur wenig voneinander differieren, innerhalb der kurzen Zeitspanne t, - t keine restlose Homogenisierung des Schmelz-. gutes erfolgt, weil beispielsweise durch schwankende Formmandtsmperaturen susgelöste FrUhausscheidungen vereinzelte Hohlstränge der Form verstopfen und es dadurch zu Fehlstellen im Gitter kommt (Kurve B).

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Erfindungsgemäß wird nun diese kurze, aber kritische Abkühlungs» phase dadurch überspielt, daß man durch einen gezielten Ulärmeimpuls auf das Schmelzgut den Abfluß von Verlustwärme innerhalb der Form während des Auffüllens derselben stoppt, wobei es durch Wärmestau zu einer leichten Anhebung der Temperatur kommen kann. Sobald die Form gefüllt ist, wird die Wärmezufuhr gestoppt, und die Kühlwirkung der in die Formhälften eingebauten Kühlrohre wird jetzt voll wirksam, so daß sich eine erfindungsgemäße Abkühlungskurve C parallel zu B einstellt.

Sie schneidet die Temperaturgeraden T_ (Erstarrungstemperatur) und T- (Entfarmungstemperatur) bei t,- bzw». t„. Die

-B-

Taktzeit ist damit auf das Zeitintervall tp = t_ - t geschrumpft.

Durch die erfindungsgemäße Temperaturführung wird also der im Takt der Qittergießmaschine arbeitenden Intervallheizung ein diskreter Heizimpuls gewissermaßen eufmoduliert, wobei.die Stärke des Heizimpulses dem Wärmeleitvermögen der Gießform Rechnung tragen muß. So braucht die aus dem Schmelzgut abfließende Verlustwärme bei einer Gießform mit hoher Wärmedämmung u.U. nur teilweise kompensiert zu werden, während sie bei einer gut wärmeleitenden Gießform voll kompensiert oder sogar überkompensiert werden muß. Zugleich macht die erfindungsgemäße Maßnahme aber auch eine Verkürzung der Taktzeit und damit ein rascheres Arbeiten möglich, was sieh auf das Produkt noch insofern günstig auswirkt, als ein Legierungsgitter mit einer sehr feinkörnigen Gefügestruktur resultiert.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß man die Gießtemperatur T mit nur geringem Abstand von der Erstarrungstemperatur T relativ niedrig halten kann, da die Ulärmebeaufschlagung während des Füllvorganges das Schmelzgut mit genügender Sicherheit aus dem Gefahrenbereich der Erstarrung oder geringer Viskosität heraushält. Der Schmelzpunkt einer Blei-Antimon-Legierung mit 5 % Sb beispielsweise liegt bei 291° C. Die Gießtemperatur kann dann bei ca. 300° C liegen. Mit der Herabsetzung der GießtemperBtur ist einesteils eine Energieeinsparung möglich, andererseits wird die Anfälligkeit der Schmelze gegen die Bildung eines grauen, auch als "Bleikrä.tze" bekannten Oxids vermindert, welches gewöhnlich beim Aufschmelr zen von kompaktem Blei an der Luft auftritt.

Die erfindungsgemäße Zuführung eines zusätzlichen üJärmeimpulses ist nicht nur bei herkömmlichen Gittergießvorrichtungen anwendbar, sondern sie kann ebenso der Unterstützung des

Gitterbandgießens im Endlosverfahren mittels einer Trommelgießmaschine (Drumcasting) dienen, bei dem es ebenfalls darauf ankommt, sehr kurze Erstarrungszeiten zu erzielen. Hier hat sich beim konventionellen Vorgehen gezeigt, daß die Erzeugung voll ausgefornter Gitterbänder große Schwierigkeiten bereiten kann und insbesondere 'einen nur engen Spielraum für die verwendbaren Legierungen einräumt.

Gemäß Figur 2 besteht eine zur Durchführung des erfindungsge-

1D mäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung bus einer geteilten Gießform, die zur Erwärmung des Schmelzgutes besonders vorteilhaft mit einer Induktionserwärmungsvorrichtung versehen ist. Die Gießform wird dabei zweckmäßig von einem FormtrSger aus Metall gebildet, der eine Einlage aus den entsprechenden Formteilen 2 besitzt. Diese eigentliche Form kann aus einer Keramik, beispielsweise gemäß der FR-PS 2.069.572 aus Siliziumnitrid bestehen, durch welche eine bessere Wärmeableitung als durch Korkmehl gewährleistet ist. An der Mußeren Fläche der Formhälfte sind die Kupferwindungen eines Induktors 3 angebracht, dessen von ihm ausgehendes magnetisches Wechselfeld das Bleigitter k durchsetzt und in ihm durch Wirbelstrombildung im flüssigen Gitter Wärme erzeugt. Der Induktor ist an eine äußere Induktionserwärmungsanlage angeschlossen. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Induktors sind die Kupferleiter, die hier als Flachspule (Pancake coil) ausgebildet sind, mit das Magnetfeld führenden Stoffen wie Dynamoblech oder Hochfrequenzeisen 5 umgeben. Der Induktor kann auch durch mäanderförmige Leiterführung aufgebaut sein. Die. Leiter sind als Kupferrohre ausgebildet, damit sie die eigenen.Stromwärmeverluste, aber auch die Wärme, die vom Bleigitter ausgeht, abführen können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vervollständigt durch ein wirksames Kühlsystem. Dieses ist in der Schnittdarstellung des rechten Formträgers 2 durch die Querschnittöffnungen .6 zahlreicher Kühlkanäle angedeutet. Die Wärmeabfuhr durch

-ΙΟΙ das metallische Farmträgermaterial, z.B. Gußeisen, ujird durch das Kühlsystem wirksam unterstützt, wobei es bei einer differenzierten Erwärmung der Bleischmelze u.U. günstig sein kann, anschließend auch feinverteilt zu kühlen, ueil die Wärmeleitung und die elektrische Leitung nicht nur irr. Schmelzgut selbst, sondern auch in den Werkstoffen der Gießform miteinander Hand in Hand gehen.

Anstelle der induktiven Erwärmung kann auch eine Widerstandsbeheizung das geeignete technische Mittel für die erfindungsgemäße Temperatursteuerung des Gießv/organges entsprechend Abkühlungskurve C der Figur 1 sein.

Gemäß der Erfindung können WiderstBndsheizelemente als Drahtoder Heizrohre in die Keramik des Formkörpers eingelassen ujerden, vorzugsweise dicht unter der Oberfläche und an Stelisn des größten Wärmebedarfs. Durch die relativ gute Wärmeleitung der keramischen Form wird die Wärme, die durch die Widerstandselemente erzeugt wird, wenn diese an eine äußere Stromquelle angeschlossen sind, schnell und wirksam ah das einfließende Blei abgegeben. Die so beheizte Form begünstigt das vollständige Auffüllen mit flüssigem Blei. Sobald die Form BUfgefüllt ist, wird die Widerstandsheizung abgeschaltet, und die KUhlwirkung des Kühlsystems sorgt für schnelle Erstarrung und Abkühlung des Bleigitters.

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Erfindungsgemäß besteht aber auch die Möglichkeit, in der keramischen Form zwei oder mehrere Kontakte einer äußeren elektrischen Stromquelle so anzuordnen, daß.diese bei Berührung mit dem in die Form einströmenden flüssigen Blei einen elektrischen Stromfluß im Blei ermöglichen, so daß durch Stromuärmebildung im Bleigitter selbst die zusätzliche Wärme erzeugt wird. Ist die Form voll aufgefüllt, wird die äußere Stromquelle abgeschaltet, und die Kühlidirkung des Kühlsystems wird wirksam.

Eine dritte Alternative ist eine Flammenheizung. Hierbei wird der Farmträger van außen durch die Flammen beaufschlagt; die Wärmeleitung ist wegen der Llanddicke des Formträger.s verzögert, sie kann jedoch mit einem entsprechenden zeitlichen Vorhalt eingeregelt und durch andere Prafilgebungen des Farmträgers optimiert werden.

Zwischen dem Formträger und der in dieser eingepaßten Form besteht trotz sorgsamster Bearbeitung nur selten ein einwandfreier Flächenkontakt. Im Regelfall werden als Folge einer Dreipunkt-Auflage des keramischen Einsatzes zwischen Form und Formträger Luftspalte erzeugt, die den erwünschten ungehinderten üJärmedurchtritt empfindlich stören. ErfindungsgemäB können die Luftspalte mit einem wärmeleitenden Medium ausgefüllt werden. Als ein solches Medium kommt ein chemisch inertes lilärmeleitöl, vorzugsweise ein hochsiedendes Paraffinöl, Silikonöl oder -wachs infrege. Die Verbesserung der Wärmeleitung zwischen keramischer Form und den kühlmitteldurchflossenen Leitern des Induktorheizsystems kann unter Benutzung solcher üJärmeleitöle ebenso verbessert werden.

Leerseite

Claims

Reg.-IMr. HvP 106-DT 6233 Kelkheim, den 28.Oi*. 1982 TAP-Dr.(\ls/schrn. UARTA Batterie Aktiengesellschaft 3000 Hannover 21, Am Leineufer 51 P5tentansarüche

1. Verfahren zum Gießen von Elektrodengittern für elektrische Akkumulatoren in einer Gießform, dadurch gekennzeichnet, daß die mährend des Einfüllvorganges aus dem Schmelzgut durch Wärmeleitung abfließende üJärme durch einen zusatz- · liehen üJärmeimpuls zumindest teilweise kompensiert uiird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der die Form füllenden Bleischmelze durch die Einwirkung magnetischer Uechselfelder erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Erwärmung durch Widerstandsheizung erfolgt.'

*+'. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch Flammenheizung erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1- und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer geteilten Gießform aus porösem, elektrisch schlecht oder nicht leitendem Material besteht und daß ein Induktor einer Induktionserwärmungseinrichtung vorgesehen ist-, durch dessen Uechselfeld durch lüirbelstrombildung im Blei ■zusätzliche Wärme erzeugt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gießform elektrische Widerstandsheizkörper oder lüiderstandsdraht dicht unter der Oberfläche und an den Stellen des

größten Wärmebedarfs eingelassen sind.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der formgebenden DberflMche einer geteilten Gießform aus porösem, elektrisch schlecht oder nichtleitendem Material, vorzugsweise Sinterkeramik, Kontakte einer äußeren Spannungsquelle angeordnet sind, die bei Berührung durch einstürzende Schmelze einen Stromkreis schließen und daß im Blei durch dessen Widerstand eine Erwärmung erfolgt.

β. Vorrichtung nech den Ansprüchen 1 und k, dedurch gekennzeichnet, daß die Gießform mit einer Flammenbeheizung versehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis Θ, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform mit einer porösen, elektrisch nicht leitenden Keramikbeschichtung versehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis Θ, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform aus einem geteilten Formtröger besteht, in den Formteile aus einem elektrisch nicht leitenden Keramikmaterial eingesetzt sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial Siliziumnitrid ist.

12, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Übergangsbereich zwischen der Keramikform und dem Formträger ein wärmeleitendes Medium vorhanden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß des wärmeleitende Medium ein hochsiedendes Paraffinöl oder -wachs ist.

1ί*. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Form oder der Formträger zumindest teiluieise aus Trafoblechpaketen bestehen.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10/ dadurch gekennzeichnet, daß die Form oder der Formträger zumindest teilweise aus ferromagnetisch leitenden Sintermaterial bestehen.·