DE3427940C2 - Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung einer Raumausfüllung durch Metallschmelzen mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern - Google Patents
Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung einer Raumausfüllung durch Metallschmelzen mit Hilfe von elektromagnetischen FeldernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung einer Raumausfüllung
durch Metallschmelzen in Dosiereinrichtung und Gießformen mit Hilfe von
elektromagnetischen Feldern.
In der Literatur und in der Praxis sind zahlreiche Vorschläge und Maßnahmen bekannt, mit
Hilfe von elektromagnetischen Feldern die Raumausfüllung durch Metallschmelzen zu
beeinflussen. Der Einsatz von Magnetfeldern dient dabei dem Absperren und Öffnen oder
Auspumpen von Behältern mit Schmelze zum Zweck einer Dosierung, die berührungslos und
daher verschleißarm arbeitend ideale Voraussetzungen für eine Automatisierung beim
Formgießen bietet.
Die DE-PS 13 00 208 beschreibt einen Gießpfannenausguß, 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.
Der Verschleiß an den bei derartigen Ventilen für den Stromfluß im Schmelzestrahl
erforderlichen Elektroden soll nach DE-OS 24 57 656 reduziert werden.
Eine Vorrichtung zum elektrisch gesteuerten Vergießen von Metall nach DE-AS 10 49 547
sieht Wechselstromspulen vor, deren Wirkung zu Gießbeginn durch einen zusätzlichen
Verschlußstopfen mit Halterung abgesichert werden muß.
Nach DE-AS 20 23 901 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
Fördereinrichtung schräg nach oben verläuft. Diese Vorschläge sind durch große Abmessungen
(Ventillänge 3,6 m) und eine erforderliche hohe Wirkleistung (450 kW) benachteiligt.
Aufgabe der Erfindung ist, mit Hilfe eines neuartigen Verfahrens und entsprechender
Vorrichtungen die Einschränkungen und Nachteile sowie den erhöhten Aufwand beim Einsatz
der genannten Verfahren und Vorrichtungen zu vermeiden und mit einfachen Mitteln vielfältige
Aufgaben bei der Steuerung der Raumausfüllung mit Metallschmelzen beim Formguß zu
erfüllen.
Die Erfindung besteht darin, daß die Einwirkung der magnetischen Felder in Verbindung mit
dem Einsatz beweglicher Raumbegrenzungselemente in Dosiereinrichtungen oder Gießformen
auf die Schmelze erfolgt, so daß die elektromagnetischen Kräfte die Schmelze z. B. im
Durchflußquerschnitt einer Düse oder an bestimmten Bereichen einer Formwand zumindest
zeitweise auf Abstand halten.
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 beweglichen Bauteile eingebaut und kann mit diesen bewegt werden, so daß
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 bilden, 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.
Beim Einsatz des Verfahrens als elektromagnetisches Dosierventil kann eine Abschwächung
der Felder und damit eine Erhöhung des Schmelzedurchflusses durch eine Stromreduzierung
und/oder eine mechanische Spaltvergrößerung mit Hilfe der beweglichen Bauelemente
vorgenommen werden, wodurch ein weiter Regelbereich der Durchflußmenge möglich wird.
Umgekehrt bewirken diese Maßnahmen eine Drosselung der Durchflußmenge bis zum
vollständigen Stillstand des Schmelzeflusses. Bei Ausfall der elektromagnetischen
Kraftwirkung kann durch mechanisches Schließen des Spalts der Durchfluß verhindert werden.
Bei entsprechender Leistungssteigerung ist auch eine Verwendung des Prinzips für
Förderpumpen möglich.
Bei der Anwendung des Verfahrens in Gießformen für Formgußteile beispielsweise
Dauerformen ist die betreffende aus mehreren beweglichen Teilen wie Schieber und Kerne
bestehende Form zu Gießbeginn nicht vollständig geschlossen, so daß zwischen den Formteilen
Spalten bestehen. Im Bereich dieser Spalten sind, wie oben angegeben, in die Gießformwand
Elektromagnete eingebaut, deren Magnetfelder die in die Form eindringende 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 und damit den Formfüllvorgang nachhaltig zu
beeinflussen.
Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile im Falle der Anwendung als elektromagnetisches
Dosierventil liegen zunächst in einem einfachen, kompakten und kostengünstigen Aufbau, der
eine Anordnung an Gießrinnen, Gießbehältern und Öfen ermöglicht. Im Vergleich zu allen rein
mechanischen Absperrsystemen wird eine wesentlich höhere Dosiergenauigkeit bei geringerem
Verschleiß und damit höherer Lebensdauer erreicht. Die kombinierte Steuerung des Gießstrahls
mit Hilfe der Regelgrößen Stromfluß bzw. elektromagnetische Kraft und Durchflußquerschnitt
bzw. Position des Raumbegrenzungselementes, erlaubt eine Dosierung, die sich besonders gut
an die Erfordernisse einer flexiblen, vollautomatischen Formfüllung anpaßt: Zu Gießbeginn
wird die Form mit großem Durchflußquerschnitt schnell gefüllt, wodurch Schaumbildung und
Lufteinschlüsse vermieden werden. Mit zunehmendem Grade der Formfüllung kann der
Schmelzezufluß feinfühlig progressiv verringert werden, so daß eine genaue Dosierung
sichergestellt wird. Die Einstellmöglichkeit eines geringen Spaltquerschnitts ermöglicht
schließlich ein sicheres Absperren der Schmelze am Ende jedes einzelnen Gießvorgangs.
Bei einer Gießunterbrechung kann das bewegliche Raumbegrenzungselement aus dem
Dosierventil herausgefahren werden, wodurch besonders einfach und schnell Reinigungs-,
Pflege- und Reparaturmaßnahmen durchgeführt werden können.
Im Vergleich zu bekannten elektromagnetischen Systemen ohne bewegliche
Raumbegrenzungselemente ist der Energieaufwand sowie der Aufwand für die elektrischen
Versorgungseinrichtungen wesentlich geringer.
Bei der Anwendung des Verfahrens in Gießformen für Formgußteile sind weitere besondere
Vorteile hervorzuheben: 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. Darüber hinaus 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. Beim vollständigen Schließen der Form in Verbindung mit einer entsprechenden
Abschwächung der Magnetfelder während der Erstarrung kann schließlich ein wirksamer
Beitrag zur Verbesserung der Dichtspeisung des Gußteils und damit eine Senkung des
Ausschußrisikos sowie der Kosten für das Kreislaufmaterial geleistet werden.
Dem gleichen Zweck dient die Möglichkeit, durch Magnetfelder an bestimmten Stellen der
Formwand des Gießwerkzeuges die Schmelze für einen bestimmten Zeitraum auf Abstand zu
halten, womit der Wärmeübergang im Sinne einer Erstarrungslenkung beeinflußt
beziehungsweise ein lokaler Speiserdruck erreicht werden kann.
Die genannten Vorteile sind neben dem Schwerkraftkokillenguß insbesondere auch beim
Druckguß sowie beim Niederdruck-Kokillenguß zu erzielen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden schematisch an Hand 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,
Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch eine nicht vollständig geschlossene
Kokillengießform mit elektromagnetischen Spulen.
Im Beispiel der Fig. 1 sitzt in einer hohlkegelförmigen Gießdüse 11 mit Spule 12, die über dem
Einguß einer nicht dargestellten Gießform positioniert wird, berührungsfrei der kegelförmige
magnetisierbare Kern 13 als Raumbegrenzungselement des Durchflußquerschnitts für die
Schmelze, der mit Hilfe einer nicht dargestellten Hebe- und Senkvorrichtung in Richtung seiner
Achse bewegt werden kann. Durch diese Bewegung wird sowohl der Spalt 15 und damit auch
der Durchflußquerschnitt für die Schmelze verändert, als auch die auf die Schmelze wirkende
elektromagnetische Kraft beeinflußt. Dazu kann in dem auch eine weitere Spule 14 eingebaut
sein. Die Spulen 12 und 14 können auch mehrteilig mit entsprechenden Anschlüssen
ausgebildet werden.
Zu Funktionsbeginn ist der hohlkegelförmige Spalt 15 durch entsprechendes Absenken des
Kerns 13 klein eingestellt. Der Durchflußquerschnitt ist damit klein und die elektromagnetische
Kopplung ist groß. Die Schmelze fließt aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter in den
Raum 16 und füllt auch den dünnen Spalt 15 teilweise aus. Durch die starke magnetische
Kraftwirkung der mit entsprechender Leistung beaufschlagten Spule(n) 12 (14) wird das
Ausfließen nach unten aus der Düse 11 verhindert. 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 heißt mit einer relativ starken Vergrößerung des Durchflußquerschnitts, 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 entsprechend verengt. Dabei ermöglicht die gleichzeitige Beeinflussung der
Kraftwirkung und des Durchflußquerschnitts eine sehr genaue und feinfühlige Dosierung.
Die Geometrie des Spaltes 15 ist nicht auf die Kegelhülse allein 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. 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.
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 Flächen 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 Graphit bestehen.
Der Funktionsablauf entspricht der Beschreibung zu Fig. 1.
Fig. 3 zeigt als Beispiel eine Anwendung bei Gießformen.
Die aus Grundplatte 31, Seitenteilen 32 und Deckplatte mit Kern 33 bestehende Gießform
enthält an den für die Formentlüftung wichtigen Stellen Magnetspulen 34. Zum Funktionsablauf
(Gießtakt) wird die Schmelze von unten durch den Anguß 35 beispielsweise nach dem
Niederdruck-Gießprinzip in den Formhohlraum 36 gebracht, den sie steigend, die Luft vor sich
herschiebend, ausfüllt. Die Luft kann ungehindert durch den Ringspalt zwischen den
Magnetspulen entweichen, deren Feld jedoch die Schmelze 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 Gefüge 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 Wärmeübergang behindert und ein
lokaler Speiserdruck ausgeübt werden.
Die Spulen können ferner mit einer Kühlung versehen werden, die sowohl das Spulenmaterial
vor Überhitzung schützt, als auch den Wärmeentzug aus dem Gußwerkstoff bei Berührung
beschleunigt.
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.
Claims (5)
1. Verfahren zur Steuerung der Raumausfüllung durch Me
tallschmelzen in Dosiereinrichtungen und Gießformen für
Formgußteile mit Hilfe elektromagnetischer Felder,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische
Kraftwirkung in Verbindung mit dem Einsatz beweglicher
Raumbegrenzungselemente auf die Schmelze erfolgt.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kegelförmiger
Kern (13, 24) in einem von einer Spule (12, 21), welche
den induktiven oder konduktiven Magnetfelderreger
bildet, umgebenen, hohlkegelförmigen Spalt (15, 25) be
weglich angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spalt (15, 25) in Verbindung mit einer ent
sprechenden Ausbildung der Magnetfelderzeuger auch
andere geeignete Formen, wie z. B. Scheiben oder Halb
kugelschalen annehmen kann.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Magnetfelderzeu
ger in Formteilen angeordnet sind, die die Schmelze an
geeigneten Stellen (z. B. 34, 37) zumindest zeitweise
auf Abstand halten.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (12,
14, 34 und 37) auch jeweils mehrteilig mit entsprechen
den Anschlüssen ausgebildet werden und mit einer
Kühlung ausgerüstet sind.
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Applications Claiming Priority (1)
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-
1984
- 1984-07-28 DE DE19843427940 patent/DE3427940C2/de not_active Expired - Fee Related
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D2 | Grant after examination | ||
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |