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Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung einer Raumausfüllung
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durch MetaLlschmelzen mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung einer Raumausfüllung
durch metallische Schmelzen mit Hilfe von elektromagneti schen Feldern.
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In der Literatur und in der Fraxis sind zahlreiche Vorschläge und
Maßnahmen bekannt, mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern die Raumausfüllung
durch Metallschmelzen zu beeinflussen. Dabei kann unterschieden werden zwischen
einem Einsatz von Magnetfeldern beim Absperren und Öffnen oder Auspumpen von Behältern
mit Schmelze zum Zweck einer Dosierung sowie einem Einsatz beim Stranggießen, wobei
Magnetfelder die Kokillenwand ersetzen.
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Die DE-PS 13 00 208 beschreibt einen Cießpfannenausguß, bei dem das
ausfließende von einem elektrischen Strom durchflossene Metall durch die Wirkung
eines Magnetfeldes regelbar ist. Zur Verbesserung seiner Wirkung werden zusätzliche
gegeneinander versetzte Hohlräume vorgeschlagen, die den Aufbau erheblich verkomplizieren
und eine Reinigung von den im praktischen Betrieb unvermeidbaren durch die Schmelze
verursachten Ansätzen so gut wie unmöglich machen.
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Der Verschleiß an den bei derartigen Ventilen für den Stromfluß im
Schmelzestrahl erforderlichen Elektroden soll nach DE-OS 24 57 656 reduziert werden.
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Eine Vorrichtung zum elektrisch gesteuerten Vergießen von Metall nach
DE-AS 10 49 547 sieht Wechselstromspulen vor, deren Wirkung zu Gießbeginn durch
einen zusätzlichen Verschluß stopfen mit Halterung abgesichert werden muß.
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Nach DE-AS 2023 901 und DE-AS 21 01 547 sind Anordnungen zum Regeln
der Ausströmgeschwindigkeit einer Schmelze aus einem Behälter bekannt, die als elektromagnetische
Pumpen mit mehrphasigen Wicklungen arbeiten, und
deren Förderrichtung
schräg nach oben verläuft. Diese VorsçbiäHge sinJdH u durch große Abmessungen (Ventillänge
3,6 m) und eine erforderliche hohe Wirkleistung (450 kW) benachteiligt.
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Die beim Stranggießverfahren vereinzelt eingesetzten Magnetfeld-Kokillen
lassen zur Raumausfüllung durch die Schmelze nur sehr einfache Strangquerschnitte
zu, was eine erwünschte Freizügigkeit in der Formgebung stark einschränkt.
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Aufgabe der Erfindung ist, mit Hilfe eines neuartigen Verfahrens und
entsprechender Vorrichtungen die Einschränkungen und Nachteile sowie den erhöhen
Aufwand beim Einsatz der genannten Verfahren und Vorrichtungen zu vermeiden und
mit einfachen Mitteln vielfältige Aufgaben bei der Steuerung der Raumausfüllung
mit Metallschmelzen zu erfüllen.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Einwirkung magnetischer Felder
in Ver bindung mit dem Einsatz beweglicher Raumbegrenzungselemente auf die Schmel
ze erfolgt und daß die Magnetfelder die Schmelze an bestimmten Bereichen einer Formwand
zumindest zeitweise auf Abstand halten.
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Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens bestehen im Prinzip
aus Magnetspulen, deren Wirkung durch Eisenkerne verstärkt sein kann und beweglichen
Bauteilen, die den von der Schmelze auszufüllenden Raum teilweise oder vollständig
begrenzen. Zumindest ein Teil der Spulen ist in die beweg lichen Bauteile eingebaut
und kann mit diesen-bewegt werden, sodaß eine Änderung der magnetischen Kopplung
während der Feldeinwirkung möglich wird Zur Steuerung der Kraftwirkung der Magnetspulen
auf die Schmelze kann so verfahren werden, daß die Schmelze in einen Raum geleitet
wird, der durch bewegliche Bauelemente begrenzt ist, die an geeigneten Stellen Spalten
bil den, in die die Schmelze eindringen oder durch die die Schmelze abfließen könnte.
Dies wird jedoch durch die Wirkung von Magnetfeldern, die von an geeigneten Stellen
in der Nähe der Spalten angeordneten Spulen ausgehen, in Verbindung mit der Einstellung
einer entsprechenden Spaltbreite unterbunden.
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Im Falle einer gewünschten Ventilwirkung kann nun eine Abschwächung
der Felder durch eine Stromreduzierung oder eine Spaltvergrößerung durch die beweglichen
Bauelemente vorgenommen werden, wobei auch beide Maßnahmen kombinierbar sind. Die
Schmelze fließt nun solange durch den Spalt aus, bis sie wieder durch entsprechende
Gegenmaßnahmen wie Feldverstärkung durch die geschilderten Möglichkeiten zum Stillstand
gebracht wird. Bei entsprechender Leistungserhöhung ist auch eine Verwendung des
prinzips für Förderpumpen möglich.
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Im Falle der Anwendung des Verfahrens auf Gießformen beispielsweise
Dauerformen ist die betreffende aus mehreren beweglichen Teilen wie Schieber und
Kerne bestehende Form zu Gießbeginn nicht vollständig geschlossen, so darz zwischen
den Formteilen Spalten bestehen. Im Bereich dieser Spalten sind, wie oben angegeben,
in die Formteile Elektromagnete eingebaut, deren Felder die in die Form eintretende
Schmelze an einem Eindringen in die Spalten hindern. Die Form wird erst gegen Ende
der Formfüllung oder während der Erstarrung der Schmelze vollständig geschlossen,
wobei auch die Magnetfelder durch Stromreduzierung abgebaut werden. Durch eine Anordnung
von Elektromagneten in bestimmten Bereichen der Formwände besteht die Möglichkeit,
die Schmelze an diesen Stellen zumindest zeitweise auf Abstand zu halten.
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Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile sind im Falle der Anwendung
als elektromagnetisches Gießventil im kompakten, einfachen und kostengünstigen Aufbau
zu sehen, der eine raumsparende Anordnung an Gießrinnen, Gießbehältern und Öfen
ermöglicht, Die kombinierte Steuerung des Gießstrahls mit Hilfe der magnetischen
Felder und des variablen Durchflußquerschnitts erlaubt eine Dosierung, die sich
besonders gut an die Erfordernisse der Formfüllung anpaßt. So kann zu Gießbeginn
durch rasches Öffnen auf einen großen Durchflußquerschnitt das Gießsystem der Form
für den steigenden Guß die notwendige schnelle Füllung erhalten, die zur Vermeidung
von Schaumbildung und Lufteinschlüssen unerläßlich ist. Mit zunehmendem Grade der
Formfüllung kann dann durch die kombinierte Steuerung der Schmelzezufluß dem Aufnahmevermögen
der Gießform entsprechend progressiv verringert und so jedes Unter- oder Überdosieren
vermieden werden. Die Einstellmöglichkeit eines geringen Spaltquerschnitts ermöglicht
schließlich ein sicheres Absperren der Schmelze am Ende jedes einzelnen Gießvorgange.
Die Möglichkeit, bei einer Gießunterbrechung das bewegliche Bauteil des Gießventils
in kürzester Zeit zu entfernen, bietet besondere Vorteile bei der Reinigung, Pflege
und einem eventuell erforderlichen Teileaustausch. Die gute Wirtschaftlichkeit beim
Betrieb einer Einrichtung laut Vorschlag wird schließlich auch durch den im Vergleich
zu bekannten Systemen geringeren Energieaufwand erreicht.
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Weitere besondere Vorteile zeigen sich bei der Anwendung des neuen
Verfahrens bei Gießformen. Die Möglichkeit des Gießens in eine zu Gießbeginn nicht
vollständig geschlossene Form verbessert zunächst entscheidend die Entlüftung während
der Formfüllung. Herkömmliche Maßnahmen zur Formentlüftung wie Spiel in den Formteilungen,
Luftdüsen oder Luftbohnen erhöhen
den Gießgratanteil und den Putzaufwand
sowie den Kreislaufanteil. Sie beeinträchtigen die Maßgenauigkeit der Gußteile und
erfordern insgesamt einen vermehrten Aufwand wie z.B. auch die Anwendung von Vakuum
beim Druckguß. Darüberhinaus wird durch die gemäß Vorschlag zum Zeitpunkt der Formfüllung
existierende leichte Vergrößerung der Wanddicke des entstehenden Gußteils die Formfüllung
erleichtert und damit auch zeitlich verkürzt.
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Beim vollständigen Schließen der Form in Verbindung mit einer entsprechenden
Abschwächung der Magnetfelder während der Erstarrung kann schließlich ein wirksamer
Beitrag zur Verbesserung der Dichtepeisung des Gußteils und damit eine Senkung des
Ausschußrisikos sowie der Kosten für das Kreislaufmaterial geleistet werden.
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Dem gleichen Ziel dient die Plöglichkeit, durch Magnetfelder an bestimmten
Stellen der Formwand die Schmelze zumindest zeitweise auf Abstand zu halten, womit
der Wärmeübergang im Sinne einer Erstarrungslenkung beeinflußt beziehungsweise ein
lokaler Speiserdrucic erreicht werden kann.
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Die genannten Vorteile sind insbesondere auch beim Druckguß sowie
beim Niederdruck-Kokillengießverfahren zu erzielen. Das Einspritzen der Schmelze
in die fest geschlossene Druckgußform nach herkömmlicher Arbeitsweise führt bekanntlich
zu unkontrollierbaren Lufteinschlüssen im Gefüge des Gußteils, die eine Wärmebehandlung
nahezu unmöglich machen und die Verwendung der Teile im Sicherheitsbereich praktisch
ausschließen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden schematisch anhand der Zeichnungen
näher beschrieben, und zwar zeigt Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine als
elektromagnetisches Dosierventil induktiv arbeitende Vorrichtung, Fig. 2 einen senkrechten
Schnitt durch eine als elektromagnetisches Dosierventil konduktiv arbeitende Vorrichtung
und Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch eine nicht vollständig geschlossene Gießform
mit elektromagnetischen Spulen.
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Im Beispiel der Fig. 1 sitzt in einer hohikegelförmigen Gießdüse 11,
in die eine ähnlich geformte Spule 12 eingebaut ist, berührungsfrei der kegel förmige
Kern 13, der mit Hilfe einer nicht dargestellten Hebe- und Senk-Vorrichtung in Richtung
seiner Achse bewegt werden kann. In den Kern 13 kann eine weitere Spule 14 eingebaut
sein. Ferner können die Spulen 12 unc 14 auch jeweils mehrteilig mit entsprechenden
Anschlüssen ausgebildet werden.
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Zu Funktionsbeginn ist der hohikegelförmige Spalt 15 durch entsprechendes
Absenken des Kerns 13 klein eingestellt. Nach Einschalten der Spule(n) 12 (14) fließt
Schmelze von einem nicht dargestellten Vorratsbehälter in den Raum 16 und füllt
auch den dünnen Spalt 15 teilweise aus. Die Schmelze wird jedoch durch die magnetische
Kraftwirkung der Spule(n) 12 (14) am Ausfließen nach unten aus der Düse 11 gehindert.
Zum Dosieren kann nun der Strom in der oder den Spulen 12 und 14 reduziert und die
Schmelze in Verbindung mit einem Anheben des Kerns 13, das zu einer Spalterweiterung
führt, in gewünschter Weise schnell oder langsam zum Ausfließen gebracht werden.
Zum Abstoppen des Schmelzeflusses wird wieder der Strom in der oder den Spulen 12
und 14 erhöht und der Durchflußspalt 15 mit Hilfe des Kerns 13 verengt. Die Geometrie
des Spaltes 15 ist nicht auf die Kegelhülse beschränkt, es können vielmehr alle
geeigneten Formen wie z.B. Scheiben, Halbkugelschalen u.a. bei entsprechender Spulenausbildung
(z.B. Spiralspule, Mäanderspule u.a.) in Betracht kommen. Zur Aufnahme stärkerer
Ströme und für den Einsatz bei heißeren Schmelzen können die Spulen als Hohlleiter
ausgebildet und mit einem geeigneten Kühlmittel gekühlt werden.
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Durch eine geeignete feuerfeste Außenverkleidung der Vorrichtung und
eine Verstärkung der Spulenleistung besteht auch die Möglichkeit eines Einsatzes
als Förderpumpe, die in das zu befördernde Schmelzebad eintaucht.
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Das Beispiel nach Fig. 2 zeigt eine Anwendung als konduktiv arbeitendes
Dosierventil, bestehend aus einem Elektromagneten 21 mit Eisenjoch 22, dessen Pole
23 und 24 entsprechend der Erfindung ausgebildet sind. Der als Kegelstumpf gestaltete
Pol 24 kann mit Hilfe eines nicht dargestellten Antriebs in Richtung seiner Mittelachse
verschoben werden, wobei sich die Dicke des von der Schmelze auszufüllenden hohlkegelförmigen
Spaltes 25 ändert. Bei 26 sind zwei Elektrodenpaare angeordnet, die einen Stromfluß
durch die Schmelze in horizontaler Richtung bewirken. Alle mit der Schmelze in Berührung
stehenden Flachen mit Ausnahme der Elektroden sind - wie üblich - mit feuerfesten
Überzügen geschützt. Die Elektroden können aus einem geeigneten Material, das gegen
die Schmelze beständig sein muß wie beispielsweise Grafit, bestehen.
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Der Funktionsablauf entspricht der Beschreibung zu Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt als Beispiel eine Anwendung bei Gießformen.
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Die aus Grundplatte 31, Seitenteilen 32 und Deckplatte mit Kern 33
bestehende Gießform enthält an den für die Forrnentlüftung wichtigen Stellen Magnetspulen
34. Zum Funktionsablauf (Gientakt) wird die Schmelze von unten
durch
den Anguß 35 beispiclsweisenach dem Niederdruck-Gießprinzip in den Formhohlraum
36 gebracht, den sie steigend, die Luft vor sich herschiebend, ausfüllt. Die Luft
kann ungehindert durch den Ringspaltzwisehen den Magnetspulen 34 entweichen, deren
Feld jedoch dieSchmelze zurückhält. Während der im wesentlichen von oben nach unten
ablaufenden Gußteilerstarrung wird die Form vollständig geschlossen, wobei auf Grund
einer Verkleinerung des Formhohlraums ein zusätzlicher Druck auf das erstarrende
Gußgefüge erfolgt, der dessen Erstarrungsschrumpfung teilweise kompensiert und so
die Dichtspeisung begünstigt. Das gleiche Ziel verfolgt die Anordnung einer Magnetspule
im Formwandbereich 37, die durch ihr Feld die Schmelze hier über einen geeigneten
Zeitraum auf Abstand hält. Damit kann der Warmeübergang behindert und ein lokaler
Speiserdruck ausgeübt werden.
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Die Spulen können ferner mit einer Kühlung versehen sein, die sowohl
das Spulenmaterial vor Überhitzung schützt als auch den Wärmeentzug aus dem Gußwerkstoff
bei Berührung beschleunigt.
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Die Rückwirkungen auf das Magnetfeld der Spulen bei Annäherung der
Schmelze können schließlich als Steuerimpulse beispielsweise für das vollständige
Schließen der Form oder für deren Kühlung genutzt werden.
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