DE3237155C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schmelz- und Gießtiegel mit einer Bodenöffnung für den Auslaß der Schmelze und mit einer der Bodenöffnung zugeordneten Stopfenstange für den Verschluß oder die Freigabe der Bodenöffnung mittels des unteren Endes der Stopfenstange und einer dem entgegengesetzten Ende zuge­ ordneten Betätigungseinrichtung.

Derartige Schmelz- und Gießtiegel, nachfolgend kurz als Tiegel bezeichnet, sind bevorzugt geeignet für geschlossene In­ duktions-Schmelz- und -Gießöfen mit einer Schmelz- und Gieß­ kammer, zwischen denen sich eine Trennwand mit einer Öffnung befindet, auf die der genannte Tiegel von oben aus­ wechselbar und gasdicht aufgesetzt ist. Der Tiegel läßt sich durch seine Bodenöffnung mittels der eingeschliffenen Stopfenstange in eine unterhalb der Trennwand befindliche Gießform entleeren (DE-OS 30 26 720).

Beim Betrieb des eingangs beschriebenen Tiegels läßt es sich nicht vermeiden, daß der letzte Rest des Tiegelinhalts am Ende des Abgusses in unregelmäßigen Portionen in den unter­ halb der Bodenöffnung befindlichen Steiger der Gießform fällt. Da der Steiger noch mit Schmelze gefüllt ist, führt dies zu einem Verspritzen von Schmelzenpartikeln, die die Umgebung des Fallweges der Schmelze verunreinigen.

Dieser Effekt wird bei dem weiter oben beschriebenen ge­ schlossenen Ofen mit Trennwand noch verstärkt, wenn oberhalb der Trennwand ein größerer Druck herrscht als unterhalb der Trennwand. Übliche Drücke liegen bei 1200 mbar bzw. 900 mbar, so daß die Druckdifferenz (von oben nach unten) 300 mbar be­ trägt. Diese Druckdifferenz erzeugt einen sogenannten "Blas­ rohreffekt", der Schmelzenreste regelrecht in den Steiger hineinschießt, so daß ein verstärktes Spritzen die Folge ist.

Unabhängig davon, daß derartige Schmelzenspritzer zu einer Ver­ unreinigung und Beschädigung von Anlagenteilen führen, stellen sie im Falle einer Änderung der Zusammensetzung des Gußwerk­ stoffs auch noch eine Gefahr für das Gußstück dar. Dies ist dann der Fall, wenn sich Schmelzenspritzer aus vorangegangenen Chargen ablösen und in die Schmelze des Steigers fallen, so daß eine Verunreinigung des Gußwerkstoffs erfolgt. Dies kann zu kostspieligem Ausschuß führen. Einen anschaulichen Eindruck von der Umgebung des Fallweges der Schmelze vermittelt die DE-OS 30 26 721.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Tiegel mit Stopfenstange der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß ein Verspritzen von Schmelze bei Be­ endigung des Abgusses vermieden, zumindest aber stark unter­ drückt wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs be­ schriebenen Tiegel gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch, daß die Stopfenstange in ein Stopfenstangenoberteil und ein Stopfenstangenunterteil unterteilt ist und daß das Stopfen­ stangenunterteil durch Schwerkraft gegenüber dem Stopfenstangen­ oberteil beweglich und gegenüber der Schmelze als Schwimmer ausgebildet ist.

Durch eine definierte Bewegung der Betätigungseinrichtung, die im übrigen durch die Schwimmerfunktion vorgegeben ist, wird folgendes erreicht: Bis zur Vollendung des Aufschmelzens und gegebenenfalls Überhitzens des Materials wird das untere Ende der Stopfenstange gegen den Auftrieb des Schwimmers gegen die Bodenöffnung gepreßt, die zu diesem Zweck einen komplementären Ventilsitz enthält. Die Schmelze ist am Aus­ fließen gehindert. Sobald der Abguß beginnen soll, wird das Stopfenstangenoberteil um ein begrenztes Maß angehoben. Dieser Bewegung folgt das Stopfenstangenunterteil aufgrund des Auf­ triebseffekts und gibt dadurch die Bodenöffnung zum Abguß frei. Zunächst sinkt der Schmelzenspiegel kontinuierlich, ohne jedoch das Stopfenstangenunterteil zu einem Absinken zu veranlassen (der größte Teil der Schmelze befindet sich anfänglich oberhalb desjenigen Teils des Schwimmers, das den Auftrieb erzeugt). Von dem Augenblick an, in dem ein Gleichge­ wicht zwischen Auftrieb und Gesamtgewicht der schwimmenden Einheit hergestellt wird, folgt das Stopfenstangenunter­ teil dem Schmelzenspiegel bei dessen weiterer Absenkbewegung, bis das untere Ende der Stopfenstange die Bodenöffnung ver­ schließt. Es befindet sich nunmehr aber noch ein geringer Rest der Schmelze im Tiegel, der an der Abdichtwirkung be­ teiligt ist und insbesondere verhindert, daß im allerletzten Augenblick des Abgießens Schmelze durch den Gasdruck be­ schleunigt nach unten gefördert wird. Dadurch unterbleibt das lästige Spritzen oder wird zumindest stark eingeschränkt, so daß die Umgebung des Fallweges frei von Schmelzenspritzern bleibt. Durch die gleiche Maßnahme unterbleibt auch eine Gas­ expansion mit radialer Komponente, die den Spritzradius noch vergrößern würde. Letztendlich ist auch die kinetische Energie der Schmelzenspritzer ein Maß für ihre unerwünschte Haftung auf Vorrichtungsteilen.

Der im Tiegel verbleibende Schmelzenrest ist keineswegs nach­ teilig für den Gießprozeß, da der Schmelzenrest beim nach­ folgenden Gießvorgang unter Verringerung der nachchargierten Menge weiter verwendet werden kann, solange es sich um den gleichen Gußwerkstoff handelt. Soll die Charge geändert werden, so gießt man einfach den letzten Rest der Schmelze in eine Hilfsform ab, indem man das Stopfenstangenoberteil um ein zusätzliches Maß anhebt, so daß das Stopfenstangenunterteil zwangsweise von der Bodenöffnung abgehoben wird. Es ist also besonders zweckmäßig, die Betätigungseinrichtung mit drei definierten Stellungen wie folgt auszulegen:

• 1. Tiefstellung: Stopfenstangenunterteil gegen Auftriebs­ kräfte an Bodenöffnung angepreßt,
• 2. Mittelstellung: Stopfenstangenoberteil soweit angehoben, daß Stopfenstangenunterteil sich frei zwischen einer Verschlußstellung und einer Freigabestellung (der Bodenöffnung) durch Auftriebskräfte bzw. Schwerkraft bewegen kann,
• 3. Höchststellung: Das untere Ende des Stopfenstangenunter­ teils kann die Bodenöffnung nicht mehr erreichen.

Die Stellung 1 dient zum Aufschmelzen der Charge, die Stellung 2 dient zum Abguß und die Stellung 3 dient zum Aus­ fließenlassen der Restmenge.

Es versteht sich, daß die Größe der Restmenge durch die relative Lage des wesentlichen Teils des Schwimmers zum Stopfenstangen­ unterteil bestimmt wird. Auf Maßnahmen, mit denen die Größe der Restmenge beeinflußt werden kann, wird in der Detailbe­ schreibung noch näher eingegangen.

Um ein "Nachkleckern" der Restschmelze zu verhindern, ist ein guter Verschluß der Bodenöffnung unerläßlich. Nun unterliegt bereits bei den herkömmlichen Tiegeln der Ventilsitz in der Bodenöffnung einem laufenden Verschleiß, so daß dieser Sitz regelmäßig mit einem Schleifstift nachgeschliffen werden muß. Dies führt zu einem frühzeitigen Verschleiß des teuren Tiegels.

Bei dem erfindungsgemäßen Schwimmerverschluß werden die Ab­ dichtprobleme mit zunehmendem Differenzdruck größer, so daß die Zeitabstände des Nachschleifens kürzer werden. Um die Standzeit des Tiegels zu verlängern, wird daher gemäß der weiteren Erfindung vorgeschlagen, daß die Bodenöffnung in einer auswechselbar in den Tiegeln eingesetzten Hülse ange­ ordnet ist. Wenn der Ventilsitz nicht mehr nachgeschliffen werden kann, dann wird einfach die Hülse ausgewechselt, und der Tiegel kann weiter verwendet werden.

Es ist dabei besonders zweckmäßig, wenn die Hülse einen im eingesetzten Zustand über die untere Begrenzungsfläche des Tiegels hinausreichenden Fortsatz aufweist. Zweckmäßig reicht dieser Fortsatz bis zum Steiger der Gießform. Diese Maßnahme schützt nicht nur vor übermäßigen Wärmeverlusten der Schmelze, sondern auch vor Schmelzenspritzern, die in geringem Maße auch zu Beginn des Abgießens auftreten und mit den Vor­ gängen am Ende des Abgießens nichts zu tun haben.

Durch eine innige Verbindung der Hülse mit dem Tiegel, die zweckmäßig eine Gewindeverbindung ist, wird die Hülse so warm, daß ein Einfrieren der Schmelze nicht möglich ist. Wenn dann noch gemäß der weiteren Erfindung der Fortsatz der Hülse mit einer Wärmedämmung umgeben ist, wird die Hülse wirksam gegen eine Wärmeabstrahlung geschützt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Einzelheiten werden nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Gesamtanordnung von Tiegel und Stopfenstange und

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch die Stopfenstange mit Schwimmer.

In Fig. 1 ist ein Tiegel 1 zum Schmelzen und Gießen darge­ stellt, der aus einem keramischen Werkstoff besteht, einen Hohlkörper darstellt und einen Hohlraum 2 umschließt, in dem sich eine Schmelze 3 befindet. Der Tiegel besitzt einen Boden 4, in den eine aus Graphit bestehende, einen Rotations­ körper bildende Hülse 5 mittels einer Gewindeverbindung 6 dicht eingesetzt ist.

Die Hülse besitzt in ihrem Innern konzentrisch die Boden­ öffnung 7, deren oberer Rand einen Dichtsitz 8 für das untere Ende 9 einer Stopfenstange 10 bildet.

Die Hülse 5 besitzt einen über die untere Begrenzungsfläche 11 des Tiegels 1 hinausgehenden Fortsatz, der von einer Wärme­ dämmung 12 umgeben ist, die aus einer gewickelten Graphit­ folie oder aus einem Graphitrohr besteht.

Der Tiegel 1 ruht auf einem aus mineralischem Werkstoff be­ stehenden Dichtungskörper 13, der mittels einer konischen Außenfläche in eine komplementäre Konusfläche 14 in eine Trennwand 15 eingesetzt ist, welche zwei Räume unterschiedlichen Drucks voneinander trennt. Unterhalb der Trennwand 15 be­ findet sich ein Tragring 16, dessen untere Innenkante als Dichtschneide 17 ausgebildet ist und in den ein Dichtring 18 eingelegt ist. An Dichtschneide und Dichtring wird von unten eine Gießform 19 mit einem sogenannten Steiger 20 (Einguß­ trichter) und einem Gießkanal 21 angepreßt.

Der Tragring 16 besitzt eine konische Innenfläche 22, an der sich eine Tragplatte 23 abstützt, auf der die Wärme­ dämmung 12 ruht. Die Tragplatte 23 besteht aus einem keramischen Filz oder Asbest.

Der Dichtungskörper 13 ist auf seinem oberen Teil von einer dreilagigen Wärmedämmung 24 umgeben, die sich zwischen einem Mineralvlies 25 auf der Oberseite der Trennwand 15 und der unteren Begrenzungsfläche 11 des Tiegels 1 erstreckt. Die Wärmedämmung setzt sich alsdann nach oben hin bis zum oberen Tiegelende durch eine weitere Wärmedämmung 26 fort, die gleichfalls aus einem Mineralvlies (z. B. "Cao-Wool") be­ steht. Der gesamte Tiegel 1 nebst einem Teil der Länge der Hülse 5 ist von einer Induktionsspule 27 umgeben, die jedoch nur schematisch dargestellt und in eine keramische Gießmasse (28) eingebettet ist, wie dies in der DE-OS 30 26 722 dargestellt ist.

Die Stopfenstange 10 besteht aus einem Stopfenstangenober­ teil 29 und einem Stopfenstangenunterteil 30, die durch eine Teleskopführung 31 miteinander verbunden sind. Während das Stopfenstangenoberteil 29 aus Aluminiumoxid besteht, und gleichzeitig als Schutzrohr für ein Thermoelement 32 dient, besteht das Stopfenstangenunterteil 30 entweder aus Graphit oder aus Porzellan. Die Teleskopführung besteht also insge­ samt aus nicht-metallischen, hoch-hitzebeständigen Werk­ stoffen. Um zu verhindern, daß Metallspritzer und/oder Chargiermaterial in den Zylinderspalt der Teleskopführung 31 eindringen, ist darüber ein Schirmblech 30 angebracht.

Zum Stopfenstangenunterteil 30 gehört ein Schwimmkörper 34, der mittels einer Schraubverbindung 35 höhenverstellbar auf dem hülsenförmigen Stopfenstangenunterteil 30 angebracht ist. Der Schwimmkörper 34 besteht aus Graphit und hat die Form des Schirms eines Pilzes, d. h. es handelt sich um einen Rotationskörper. Auf der Unterseite des Schwimmkörpers 34 befinden sich mehrere stiftförmige Vorsprünge 36, die die Ausbildung einer Coriolis-Bewegung in der Schmelze verhindern bzw. bremsen sollen. Das Stopfenstangenoberteil 29 ist in einer metallischen Muffe 37 befestigt, an deren oberem Ende sich ein Gewicht 38 befindet. Die Muffe 37 besitzt eine breite Umfangsnut 39, in die von der Seite her ein gegabelter Hubarm 40 eingreift, der zur Seite hin mit einem nicht ge­ zeigten Hubzylinder verbunden ist. Bei entlastetem Hubzylinder wird das untere Ende 9 der Stopfenstange 10 im wesentlichen durch das Gewicht 38 gegen den Dichtsitz 8 gepreßt. Durch Anheben des Hubarms 40 gegen einen Bund 41 ist es möglich, den Schwimmer gemäß den einleitenden Ausführungen in Funktion treten zu lassen. Das spezifische Gewicht der Schmelze 3 ist jedenfalls um ein Vielfaches größer als das spezifische Gewicht der den Schwimmer bildenden Bauteile, so daß ein Auftrieb von ausreichender Größe gewährleistet ist.

Die gesamte Anordnung gemäß Fig. 1 wird im Prinzip in die Kammer eines geschlossenen Induktions-Schmelz- und Gieß­ ofens in der Weise eingebaut, wie dies in der DE-OS 30 26 720 gezeigt ist. Weitere Ausführungen dürften sich daher erübrigen.

Fig. 2 zeigt eine Variante der Stopfenstange gemäß Fig. 1, wobei Teile mit gleicher über übereinstimmender Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Es ist zunächst erkennbar, daß die Teleskopführung 31 insofern geändert ist, als das Stopfenstangenoberteil 29 an seinem unteren Ende eine aus Graphit bestehende Führungshülse 42 aufweist, die eine zylindrische Bohrung 43 besitzt und das Stopfenstangenunterteil 30 teleskopartig übergreift. Die Teleskopführung besitzt eine beidseitige Hubbegrenzung in Form diametral gegenüberliegender Längsnuten 44, die an beiden Enden geschlossen sind. In diese Längsnuten greifen Anschlagzapfen 45 ein, welche durch die Enden von Schrauben gebildet werden, die in die Führungshülse 42 eingeschraubt sind. Die Längen von Bohrung 43 und Längsnuten 44 sind etwas verkürzt dargestellt; in Wirklichkeit wird ein Hub von ca. 25 bis 30 mm ermöglicht, wobei zu berücksichtigen ist, daß die Gesamthöhe des Tiegels 1 etwa 140 mm beträgt. Obwohl es sich beim Ausführungsbeispiel um einen außerordentlich kleinen Ofen handelt, ist das Prinzip natürlich auch auf sehr viel größere Öfen übertragbar.

Zum Stopfenstangenunterteil 30 gehört auch hier ein Schwimm­ körper 34, der jedoch im Gegensatz zu Fig. 1 nicht mit stift­ förmigen Vorsprüngen 36 versehen ist, sondern auf seinem Um­ fang in etwa äquidistanter Verteilung Randausnehmungen 46 be­ sitzt, die von dem Schwimmkörper 34 einen etwa sternförmigen Körper übrig lassen. Infolge der Randausnehmungen 46 kann der Durchmesser des Schwimmkörpers 34 so groß gemacht werden, daß der Schwimmkörper zusätzlich durch die zylindrische Innen­ fläche des Tiegels 1 geführt wird. Durch die Randausnehmungen 46 ist die Ausbildung einer Schmelzenströmung möglich, wobei gleichzeitig die sich ansonsten ausbildende Coriolis-Be­ wegung stark gebremst wird.

Das Stopfenstangenoberteil 29 besitzt einen hohlzylindrischen Fortsatz 47, mit dem es in das geschlitzte untere Ende der Muffe 37 eingesetzt ist. Eine kraftschlüssige Halterung erfolgt mittels einer Spannschelle 48. Die Umfangsnut 39 wird in diesem Falle nach oben hin durch die Unterseite des Gewichtes 38 begrenzt, an die sich der hier nicht ge­ zeigte Hubarm 40 (Fig. 1) bei der Freigabe der Schwimmerbe­ wegung anlegt. Das Gewicht 38 ist von einem beispielsweise aus Asbest bestehenden Isolierring 49 umgeben, der es der Bedienungsperson ermöglicht, das Gewicht 38 bei noch be­ triebswarmem Ofen mittels eines Handschuhs anzuheben.

Die Wirkungsweise des Gegenstandes nach Fig. 2 sei kurz wie folgt erläutert:

Bei freigegebenem Gewicht 38 schieben sich Stopfenstangenober­ teil 29 und -unterteil 30 im Bereich der Teleskopführung 31 zusammen, wobei die Anschlagzapfen 45 in den Bereich der unteren Enden der Längsnuten 44 gelangen. Da ein weiteres Zusammenschieben der Teleskopführung nicht mehr möglich ist, wird das untere Ende 9 der Stopfenstange gegen den hier nicht gezeigten Dichtsitz (Dichtsitz 8 in Fig. 1) gepreßt, und verschließt dadurch die Bodenöffnung.

Sobald das Stopfenstangenoberteil 29 mit dem Gewicht 38 um ein Maß angehoben wird, das knapp dem vertikalen Freiheitsgrad der Anschlagszapfen 45 in den Längsnuten 44 entspricht, folgt der Schwimmkörper 34 dieser Aufwärtsbewegung, wenn sich Schmelze in dem Tiegel befindet (andernfalls bleibt der Schwimmkörper 34 in Ruhe). Beim Vorhandensein von Schmelze wird infolgedessen die Bodenöffnung freigegeben, und die Schmelze kann zunächst ungehindert ausfließen. Erst wenn die einleitend beschriebenen Gleichgewichtsbedingungen erreicht werden, folgt der Schwimmkörper 34 dem sinkenden Schmelzen­ spiegel, bis es zum Verschluß der Bodenöffnung kommt und eine restliche Schmelzenmenge im Tiegel zurück bleibt. Soll auch diese noch zum Ausfließen gebracht werden, so muß das Stopfenstangenoberteil 29 noch um ein weiteres Stück angehoben werden, so daß das untere Ende der Stopfenstange vom Dicht­ sitz 8 abgehoben wird bzw. diesen auch bei weiterem Absinken des Schmelzenspiegels nicht mehr erreichen kann.

Ein Auswechseln etwa defekter Stopfenstangenteile ist mittels der Klemmverbindung bzw. der Spannschelle 48 leicht möglich.

Es wäre natürlich in Verbindung mit einer herkömmlichen, starren Stopfenstange denkbar, den Weg des Schmelzenspiegels meßtechnisch zu erfassen und die Betätigungseinrichtung der Stopfenstange so zu steuern, daß ein Verschluß der Boden­ öffnung erfolgt, bevor die Schmelze restlos ausgeströmt ist. Derartige Messungen sind jedoch wegen der schlechten Zugäng­ lichkeit und der hohen Temperaturen nur schwierig auszuführen, und es wäre auch ein erheblicher Aufwand bezüglich einer auto­ matischen Betriebsweise des Stopfenstangenantriebs erforder­ lich. Der Erfindungsgegenstand stellt demgegenüber eine voll­ ständig selbsttätige, temperaturbeständige und verschleiß­ freie Steuereinrichtung dar, die sich im praktischen Betrieb einwandfrei bewährt hat. Auf die Zurhilfenahme optischer und/oder elektrischer Lagemelder, die die Steuerung des Hubarms veran­ lassen könnten, kann infolgedessen vollständig verzichtet werden.

Claims (11)

1. Schmelz- und Gießtiegel mit einer Bodenöffnung für den Auslaß der Schmelze und mit einer der Bodenöffnung zu­ geordneten Stopfenstange für den Verschluß oder die Freigabe der Bodenöffnung mittels des unteren Endes der Stopfenstange und einer dem entgegengesetzten Ende zuge­ ordneten Betätigungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopfenstange (10) in ein Stopfenstangenoberteil (29) und ein Stopfenstangenunterteil (30) unterteilt ist, und daß das Stopfenstangenunterteil (30) durch Schwerkraft gegenüber dem Stopfenstangenoberteil (29) beweglich und gegenüber der Schmelze (3) als Schwimmer ausgebildet ist.

2. Schmelz- und Gießtiegel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Stopfenstangenober- (29) und -unterteil (30) durch eine Teleskopführung (31) miteinander verbunden sind.

3. Schmelz- und Gießtiegel nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teleskopführung (31) aus nicht- metallischen, hoch-hitzebeständigen Werkstoffen besteht.

4. Schmelz- und Gießtiegel nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teleskopführung (31) eine beidseitige Hubbegrenzung in Form mindestens einer an beiden Enden geschlossenen Längsnut (44) aufweist, in die ein Anschlag­ zapfen (45) eingreift.

5. Schmelz- und Gießtiegel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Stopfenstangenunterteil (30) einen auf­ gesetzten Schwimmkörper (34) besitzt, der oberhalb des unteren Endes (9) der Stopfenstange (10) nachgeordnet ist.

6. Schmelz- und Gießtiegel nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwimmkörper (34) als Rotationskörper ausgebildet ist.

7. Schmelz- und Gießtiegel nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwimmkörper (34) auf seinem Umfang mit Randausnehmungen (46) versehen ist.

8. Schmelz- und Gießtiegel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bodenöffnung (7) in einer auswechselbar in den Tiegel (1) eingesetzten Hülse (5) angeordnet ist.

9. Schmelz- und Gießtiegel nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hülse (5) einen im eingesetzten Zustand über die untere Begrenzungsfläche (11) des Tiegels (1) hinausragenden Fortsatz aufweist.

10. Schmelz- und Gießtiegel nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hülse (5) mittels einer Gewindever­ bindung (6) in den Tiegel eingesetzt ist.

11. Schmelz- und Gießtiegel nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Fortsatz der Hülse (5) mit einer Wärme­ dämmung (12) umgeben ist.