DE4132203A1

DE4132203A1 - Verfahren zur steuerung eines schmelz- und giessvorgangs

Info

Publication number: DE4132203A1
Application number: DE19914132203
Authority: DE
Inventors: Johann Stuermer; Gernot Thorn
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1993-04-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Schmelz- und Gießvorgangs, insbesondere zur Bestimmung des Abgießzeit punktes einer Schmelze aus einem Induktionsofen, bei dem das Schmelzgut bis zum Erreichen der Schmelztemperatur beispiels weise in einem Tiegel erwärmt und mittels einer Meß- und Regel einrichtung der zeitliche Verlauf der Temperaturstrahlung der Schmelze gemessen wird, die Meß- und Regeleinrichtung beispiels weise aus einer Photozelle, einem Netzteil mit Verstärker, einem Meßwertumwandler und -speicher sowie einem Schaltgerät besteht, und die Temperaturstrahlung einen an sich bekannten zeitlichen Verlauf entlang der Solidus-/Liquiduslinie einnimmt, der im wesentlichen in die drei folgenden Abschnitte unterteilbar ist:

Abschnitt A: Ansteigen der Strahlung in der Aufheizphase bis zum Schmelzbeginn.
Abschnitt B: Flacherer Anstieg der Strahlung bis zur voll ständigen Auflösung der Kristallstruktur.
Abschnitt C: Steilerer Anstieg der Strahlung bis zum Abgieß zeitpunkt.

Bei allgemeinen Schmelz- und Gießanlagen, insbesondere bei kleinen Induktionsöfen für die Anwendung in der Feingießtech nik, beispielsweise der Dentaltechnik, ist es von größter Be deutung, den richtigen Zeitpunkt zum Abgießen der Schmelze zu treffen. Wählt man einen zu frühen Zeitpunkt und die Gießtem peratur ist zu niedrig, so ist das Schmelzgut noch nicht vollständig geschmolzen und füllt die Gießform nicht voll ständig aus. Wird dagegen der Abgießzeitpunkt zu spät gewählt und damit die Gießtemperatur zu hoch eingestellt, so treten im Gußstück Lunkerstellen auf. In beiden Fällen ist das Gußstück unbrauchbar und der Gießvorgang muß wiederholt werden.

Es gibt daher zahlreiche Bestrebungen ein Verfahren oder eine Vorrichtung zu entwickeln, welches, bzw. welche eine objektive Bestimmung des Abgießzeitpunktes ermöglicht.

So sind z. B. Verfahren und Vorrichtung allgemein bekannt, wo bei die Temperatur der Schmelze mittels eines Thermoelements oder eines IR-Strahlendetektors direkt gemessen wird. Sobald die gemessene Temperatur einen voreingestellten Wert erreicht hat, wird nach Ablauf einer durch ein Verzögerungsrelais festgelegten Zeit der Gießvorgang eingeleitet.

Weiterhin gibt es ein Verfahren zur Steuerung des Schmelz- und Gießvorgangs der Feingießtechnik (DE 33 45 542), welches die zeitliche Änderung der Schmelzgut-Temperatur nach der Zeit ermittelt und den Gießzeitpunkt und/oder die zum Gießen ge eignete Temperatur in Abhängigkeit vom ermittelten Wert be stimmt.

Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß zum einen die Gießtemperatur des Schmelzgutes exakt bekannt sein muß und daß Meßfehler durch Meßfühler oder unterschiedliche Eigenschaften der Tiegel das gesamte Gießer gebnis verfälschen können, so daß das Gußstück unbrauchbar wird. Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren mit di rekter Temperaturmessung ist die Tatsache, daß der Tempera turbereich um die Gießtemperatur von besonderem Interesse ist, um den richtigen Abgießzeitpunkt zu treffen. Aber gerade in diesem Temperaturbereich gestaltet sich die Messung am schwierigsten, da sich auf der Schmelze eine Oxidhaut bildet und/oder durch die beginnende Verdampfung die Temperaturmes sung erschwert oder verfälscht wird. Desweiteren sind diese Verfahren und Vorrichtungen abhängig von den physikalischen Parametern einer Schmelze, d. h. von der Menge und der Art des Schmelzgutes sowie der Energiezufuhr.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung zu finden, das die oben genannten Nachteile ausschließt und unabhängig ist von den physika lischen Parametern eines spezifischen Schmelzvorgangs und somit ein allgemein anwendbares Verfahren und/oder eine Vor richtung darstellt, welches/welche nicht auf subjektive Er fahrungswerte angewiesen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

1. mittels der Meß- und Regeleinrichtung der Verlauf der Temperaturstrahlung s über der Zeit t differenziert wird, als Differentialquotient ,
2. der maximale Wert U₁ des Differentialquotienten , der bis zum Erreichen des Soliduspunktes S eintritt, normiert wird,
3. im weiteren Verlauf des Schmelzvorgangs beim Überschrei ten des zuvor normierten Wertes U₁ ein im Voraus be stimmbares Zeitintervall Δt₂ gestartet wird und
4. nach Ablauf des Zeitintervalls Δt₂ der Abgießvorgang auslösbar ist.

Vorteil des oben genannten Verfahrens ist es, daß man die En ergiezufuhr während des Schmelzvorgangs konstant halten kann und daß anstelle der bislang bekannten subjektiven Auswertung der Änderung der Temperatur, bzw. der Temperaturstrahlung, die bis zum Zeitpunkt des Abgusses erfolgt, eine objektive zeit liche Voraussage des Abgießzeitpunktes aufgrund einer Normierung von ermittelten Strahlungswerten durchführbar ist.

Die Normierung wird dadurch vorgenommen, daß für jedes spezi fisches Schmelzgut, d. h. für jedes Schmelzgut mit einer spe zifischen chemischen Zusammensetzung, zunächst mindestens ein Schmelz- und Gießvorgang nach subjektiven Gesichtspunkten durchgeführt wird. D.h., daß ein Fachmann aufgrund seiner Er fahrungen, den Abgießvorgang so ausführt, daß er ein optimales Gießergebnis erzielt. Der bei diesem Schmelzvorgang mittels einer Meß- und Regeleinrichtung registrierte Strahlungsverlauf wird nun über der Zeit differenziert. Der so ermittelte Dif ferentialquotient nimmt einen werkstoffspezifischen Verlauf ein.

Ein im ersten Abschnitt des Schmelzvorgangs ermittelter Maxi malwert wird nun auf z. B. einen elektrischen Spannungswert normiert. Der Differentialquotient fällt zum Zeitpunkt t₁ un ter diesen normierten Maximalwert und steigt im Zeitpunkt t₂ wieder über diesen Wert. Zum Zeitpunkt t₃ wird der Abgießvor gang eingeleitet.

Aus diesen experimentell ermittelten Zeiten werden nun die Zeitintervalle Δt₁ und Δt₂ wie folgt berechnet:

Δt₁ = t₂ - t₂

Δt₂ = t₃ - t₂.

Aus der Verhältniszahl

ergibt sich eine werkstoffspezifische Konstante K.

In Kenntnis dieser Konstanten K können, unter der Voraussetzung es handelt sich immer um dasselbe Schmelzgut mit derselben chemischen Zusammensetzung, nun beliebig viele Schmelz- und Gießvorgänge mit den unterschiedlichsten Mengen und der verschiedenartigsten Energiezufuhr nach objektiven Kriterien unter optimalen Bedingungen durchgeführt werden. So ist es denkbar, daß die Masse des eingesetzten Schmelzguts einige wenige Gramm betragen kann, wie z. B. beim Einsatz in der Dentaltechnik, ebenso wie mehrere Tonnen in der großmetallurgischen Anwendung. Der Betreiber einer solchen Schmelz- und Gießanlage ist nicht mehr auf die subjektive Erfahrung und persönlichen Einflüsse des Bedienungspersonals angewiesen.

Für weitere Schmelz- und Gießvorgänge mit demselben Schmelzgut genügt es, daß durch die Meß- und Regeleinrichtungen der differenzierte Strahlungsverlauf verfolgt und registriert wird. Bei Erreichen des Zeitpunktes t₂ kann aufgrund der Normierung eine Aussage getroffen werden, daß nach Ablauf des Zeitintervalls

Δt₂ = Δt₁ _* K

der optimale Abgießzeitpunkt erreicht sein wird.

Da beispielsweise in einem Dentallabor meist nur einige, wenige unterschiedliche Werkstoffe erschmolzen werden, ist es ausreichend, für jeden Werkstoff die spezifische Konstante K zu kennen, so daß mit Vorteil jeder weitere Gießvorgang ein optimales Gießergebnis garantiert.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglich keiten zu, eine davon ist in den anhängenden Zeichnungen näher dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Bestimmung des Abgießzeitpunktes einer Schmelze aus einem Tiegel,

Fig. 2 den qualitativen Verlauf der Temperaturstrahlung in Abhängigkeit von der Zeit während der Reizphase ei ner Schmelze, und

Fig. 3 die Differentiation des Strahlungsverlaufs nach Fig. 2.

In einem Tiegel 1 (Fig. 1) befindet sich eine Schmelze 2, welche durch eine Induktionsspule 3 erwärmt wird. Oberhalb des Tiegels 1 ist eine Photozelle 4 so angeordnet, daß sie die von der Schmelze 2 abgegebene Temperaturstrahlung s mißt, wobei zwischen Tiegel 1 und Photozelle 4 ein Wärmeschutzfilter 5 und eine Blende 6 vorgesehen sind. Die Photozelle 4 ist mit einem Verstärker 7 verbunden, der wiederum von einem Netzteil 8 versorgt wird. Weiterhin ist der Vorverstärker 7 mit einem Meßwertwandler und -speicher 9 verbunden, an den sich noch ein Schaltgerät 10 anschließt.

Die mittels der Photozelle 4 gemessene Temperaturstrahlung s (Fig. 2) ist als Funktion der Zeit t dargestellt. Während eines Aufheizvorganges einer Schmelzprobe bis zum Abgießzeit punkt G nimmt die Temperaturstrahlung s einen an sich bekann ten, theoretisch erklärbaren Verlauf ein, der sich im wesent lichen in drei Abschnitte A, B, C unterteilt. Der Abschnitt A beginnt mit dem Einschalten der Heizung bei einem Strahlungs wert s₀. Die Temperaturstrahlung s steigt zunächst relativ schnell, d. h. steil an, bis zum Erreichen des Soliduspunktes S, hier gehen erste Bestandteile der Schmelze von der festen in die flüssige Phase über. Anschließend folgt der Abschnitt B, welcher einen flacheren Anstieg der Temperaturstrahlung s bis zum Erreichen des Liquiduspunktes L zeigt; an dieser Stelle sind alle Primärkristalle in der Schmelze von der festen in die flüssige Phase übergegangen. An den Abschnitt B schließt sich der Abschnitt C an; die Temperaturstrahlung steigt nochmals an, bis zum Erreichen des Abgießzeitpunktes G.

Die zeitliche Änderung der Temperaturstrahlung in Fig. 3, d. h. die Differentiation der Temperaturstrahlungskurve nach Fig. 2 ergibt im wesentlichen eine Bewertung der dynamischen Anteile der Kurven. So steigt im Abschnitt A der Differential quotient zunächst bis auf einen maximalen Wert U₁ an und verbleibt dann bis zum Zeitpunkt t₁ konstant auf diesem maximalen Wert U. Beim Übergang vom Abschnitt A nach B fällt der Differentialquotient wieder bis auf einen Wert, der kleiner als der maximale Wert ist. Dieser bleibt anschließend konstant bis unmittelbar vor Ende des Abschnitts B. Gegen Ende des Abschnitts B beginnt der Differentialquotient wieder einen Anstieg, der im Abschnitt C zum Zeitpunkt t₂ den bisherigen Maximalwert U₁ aus Abschnitt A übertrifft. Anschließend steigt der Differentialquotient nochmals weiter an und durchläuft zum Zeitpunkt t₃ wieder die Null-Linie. Der Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ wird als Zeitintervall Δt₁ und der Zeitraum zwischen t₂ und t₃ als Zeitintervall Δt₂ bezeichnet.

Die Erfindung nutzt nun diesen bekannten Kurvenverlauf gemäß Fig. 3, indem der in Abschnitt A erreichte maximale Differen tialquotient U₁ normiert wird, auf z. B. einen elektrischen Spannungswert von U₁ = 5 V. Da bekannt ist, daß der Kurven verlauf in etwa in Nähe des Übergangs vom Abschnitt B nach C diesen zuvor normierten Wert von U₁ wieder durchläuft, wird beim Erreichen dieses Wertes ein vorabbestimmbares Zeitintervall Δt₂ gestartet. Nach Ablauf dieses Zeitinter valls Δt₂ wird der Abgießvorgang automatisch ausgelöst.

Auflistung der Einzelteile

1 Tiegel
2 Schmelze
3 Induktionsspule, Heizeinrichtung
4 Photozelle
5 Wärmeschutzfilter
6 Blende
7 Verstärker
8 Netzteil
9 Meßwertwandler und -speicher
10 Schaltgerät
s Temperaturstrahlung
s₀ Strahlungswert
t Zeit
A Abschnitt
B Abschnitt
C Abschnitt
S Soliduspunkt, Schmelzbeginn
L Liquiduspunkt
G Abgießzeitpunkt
Differentialquotient
t₁, t₂, t₃ Zeitpunkt
Δt₁, Δt₂ Zeitintervall
U₁ normierter Wert, maximaler Wert
K Konstante

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines Schmelz- und Gießvorgangs, insbesondere zur Bestimmung des Abgießzeitpunktes (G) einer Schmelze (2) aus einem Induktionsofen, bei dem das Schmelzgut bis zum Erreichen der Schmelztemperatur bei spielsweise in einem Tiegel (1) erwärmt und mittels einer Meß- und Regeleinrichtung (4, 8, 7, 9, 10) der zeitliche Verlauf der Temperaturstrahlung (s) der Schmelze (2) gemessen wird, und die Temperaturstrahlung (s) einen an sich bekannten zeitlichen Verlauf entlang der Solidus-/ Liquiduslinie einnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß

1. mittels der Meß- und Regeleinrichtung der Verlauf der Temperaturstrahlung (s) über der Zeit (t) differenziert wird,
2. der maximale Wert (U₁) des Differentialquotienten bis zum Erreichen des Soliduspunktes (S) eintritt, normiert wird,
3. im weiteren Verlauf des Schmelzvorgangs beim Überschreiten des zuvor normierten Wertes (U₁) ein im voraus bestimmbares Zeitintervall (Δt₂) gestartet wird und
4. nach Ablauf des Zeitintervalls (Δt₂) der Abgießvorgang auslösbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall (Δt₂) im voraus ermittelbar ist, als Produkt aus dem Zeitintervall (Δt₂) mal einer Konstanten (K).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß (Δt₁) bestimmbar ist, als die Differenz zwischen den Zeitpunkten (t₂) und (t₁).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß (t₁) als der Zeitpunkt bestimmbar ist, in welchem der Differentialquotient den Wert (U₁) zum ersten Mal unterschreitet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß (t₂) als der Zeitpunkt bestimmbar ist, in welchem der Differentialquotient den Wert (U₁) überschreitet.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß (Δt₂) für jedes spezifische Schmelzgut mindestens ein mal experimentell durch einen Schmelzvorgang ermittelt wird als die Differenz zwischen (t₃) und (t₂).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß (t₃) als der Zeitpunkt bestimmbar ist, in welchem der Wert des Differentialquotienten die Null-Linie durchläuft.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstante (K) für jedes spezifische Schmelzgut bestimmbar ist als Divisor aus dem mindestens einmal ermittelten Zeitintervall (Δt₂) durch (Δt₁).

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als normierter Wert (U₁) ein elektrischer Spannungswert von z. B. U₁ = 5 V einsetzbar ist.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgießvorgang automatisiert durchführbar ist.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in der Feingießtechnik, vorzugsweise in der Dentaltechnik, einsetzbar ist.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 mit einem Schmelz tiegel (1), einer Heizeinrichtung (3), einer Meß- und Regeleinrichtung, beispielsweise bestehend aus einer Photozelle (4), einem Netzteil (8) mit Verstärker (7), einem Meßwertumwandler und -speicher (9) sowie einem Schaltgerät (10), dadurch gekennzeichnet, daß

1. mittels der Meß- und Regeleinrichtung der Verlauf der Temperaturstrahlung (s) über der Zeit (t) differenzierbar ist,
2. der maximale Wert (U₁) des Differentialquotienten der bis zum Erreichen des Soliduspunktes (S) eintritt, normiert wird,
3. im weiteren Verlauf des Schmelzvorgangs beim Überschreiten des zuvor normierten Wertes (U₁) ein im Voraus bestimmbares Zeitintervall (Δt₂) gestartet wird und
4. nach Ablauf des Zeitintervalls (Δt₂) der Abgießvorgang auslösbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Schaltgerätes (10) ein mechanisches, hydrau lisches, elektrisches oder pneumatisches Betätigungs mittel selbstätig startbar ist, welches den Abgießvorgang ausführt.