DE3427940C2 - Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung einer Raumausfüllung durch Metallschmelzen mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern - Google Patents

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.