DE4139020C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Metallschaums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Metallschaums gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 11.

In der WO 91/03 578 ist ein Verfahren dieser Art beschrieben. Bei diesem Verfahren ist in einer Metallschmelze eine Gaslanze angeordnet, deren Ende durch ein tellerartiges Abdeckelement derart abgeschlossen ist, daß zwischen diesem Abdeckelement und der Gaslanze ein radialer Austrittsspalt für das eingeführte Gas entsteht. Durch eine Rotation der Gaslanze tritt das Gas in radialer Richtung unter Erzeugung einer Turbulenz aus, wobei ein gutes Durchsetzen der Metallschmelze mit dem Gas sichergestellt werden soll. An der Oberfläche des Metallbades oberhalb der Gasaustrittsöffnung der Gaslanze bildet sich Metallschaum, der von einem angrenzenden Förderband als flächige Metallschaumlage abgeführt wird.

Bei diesem Verfahren wird es als nachteilig angesehen, daß die Dicke der Metallschaumlage sehr stark variiert und die Homogenität des Schaumes und die Größe der eingeschlossenen Gasblasen nicht gleichmäßig genug ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Metallschaums zu schaffen, um die Herstellung eines weitgehend homogenen Metallschaumkörpers mit genau festgelegtem Profil zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird der Aufschäumvorgang in einem Kanal mit genau festgelegtem Querschnitt durchgeführt. Der aus dessen Mundstück austretende Formkörper hat daher das Profil, das dem des Mundstücks entspricht. Derjenige Kanalabschnitt, der über der Phasengrenze Metallschmelze/Metallschaum liegt, enthält das in einem Formwerkzeug auswechselbare Mundstück.

Auf diese Weise lassen sich nicht nur plane Metallschaumlagen mit beliebig wählbarer Dicke herstellen, sondern auch z. B. wellenförmige oder zickzackförmig gekrümmte Metallschaumprofile.

Zwischen den beiden horizontalen Abschnitten ist ein vertikaler oder ein schräg nach oben geneigter Kanalabschnitt angeordnet, in dem die Gaszuführung zur Bildung des Metallschaums angeordnet wird. Die Übergänge zwischen unterschiedlich ausgerichteten Kanalabschnitten sind stetig gekrümmt ausgebildet, damit die Ausbildung von Kanten in dem Kanal vermieden wird, an denen sich Gasblasen absetzen oder Verwirbelungen der Metallschmelze auftreten können.

Die Schmelze kann aus allen Metallen bestehen, die für ein Aufschäumen geeignet sind. Dies sind zum Beispiel Aluminium, Eisen, Zink, Blei, Nickel, Magnesium, Kupfer und deren Legierungen.

Weiterhin kann die Schmelze festigkeitssteigernde Anteile aus z. B. Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid enthalten.

Die Größe und die Verteilung der in dem Metallschaum vorhandenen Gasblasen werden über die Zuführgeschwindigkeit der Schmelze, des Gases und eventuell über den Gehalt von festigkeitssteigernden und die Viskosität beeinflussenden Teilchen gesteuert.

Die Gaszuführung ist erfindungsgemäß im unteren Bereich des vertikalen oder schräg nach oben geneigten Kanalabschnittes angeordnet, wobei der Pegel der Schmelze, der die Phasengrenze zwischen Schmelze und Schaum bildet, in einer Höhe von 150 bis 500 mm, vorzugsweise 300 mm, über der Gaszuführung liegt. Dieser Pegel kann z. B. über eine Schwimmersteuerung in einer parallel zum vertikalen Kanalabschnitt angeordneten Ausgleichskammer eingestellt werden.

Die Gaszuführung besteht aus einer oder mehreren Gasdüsen. Um eine homogene Verteilung der Gasblasen über den gesamten Kanalquerschnitt zu erreichen, wird bspw. ein Düsenkamm vorgesehen. Dieser Düsenkamm oder ein Düsensieb können oszillierend bewegt werden, um die Bildung großer Gasblasen zu vermeiden. Eine engere Größenverteilung der geschlossenen Gasblasen führt zu einer größeren Homogenität des Schaumkörpers und damit zu gleichmäßigeren physikalischen, insbesondere mechanischen, akustischen und elektrischen Eigenschaften.

Auch eine Gaszuführung mit einer Gasaustrittsöffnung, die als divergierende Düse ausgebildet ist, ist möglich. Über der Gaszuführung kann eine propellerartige Rühreinrichtung angeordnet sein, um das Gas möglichst gleichmäßig in dem Kanal zu verteilen.

Konstruktiv sehr einfach und daher kostengünstig ist die Gaszuführung durch einen porösen Stein bzw. eine poröse Frittenplatte.

Eine weitere Homogenisierung hinsichtlich der Größe der Gasblasen läßt sich dadurch erreichen, daß man das Gas intermittierend einbläst; kurz vor der Gasaustrittsöffnung ist eine mechanische Choppereinrichtung, die den Gaszufluß mechanisch zerhackt. Durch die geringe Distanz zur Gasaustrittsöffnung treten keine Eigenschwingungen der Luftsäule auf.

Das Formwerkzeug, in dem der Kanal angeordnet ist, ist erwärmbar, um definierte Bedingungen bei der Bildung des Schaums zu schaffen. Das Mundstück mit unterschiedlichen Profilen ist dabei vorzugsweise kurz oberhalb des Pegels der Metallschmelze angesetzt, wodurch der Metallschaum direkt nach seinem Entstehen in das gewünschte Profil vorgeformt wird. Dies verhindert eine Beschädigung von geschlossenen Gasblasen bei einer später einsetzenden Verformung des Metallschaumkörpers.

Als schaumbildendes Gas können Luft, Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasserdampf, Wasserstoff oder Edelgase und deren Mischungen verwendet werden.

Die Abzugsgeschwindigkeit des aus dem Kanal austretenden Schaums kann z. B. durch an den Schaumkörper anliegende Rollen geregelt werden. Hierdurch läßt sich ein Gegendruck auf den austretenden Schaum aufbringen, der zu einer geringen Stauchung desselben und damit zu einer Vergrößerung des Querschnitts und einer quer zur Austrittsrichtung verlaufenden Textur führt.

Das Mundstück des Kanals ist gekühlt, so daß der austretende Schaumkörper bereits starr ist. Zusätzlich dazu kann der Querschnitt des Kanals zum Mundstück hin verringert sein, um den bei der Abkühlung entstehenden Schwund auszugleichen. Durch die Verjüngung des Kanalquerschnitts kann auch die Dicke des austretenden Schaumkörpers in gewissen Grenzen geregelt werden.

Die Vorrichtung zur Erzeugung des Metallschaums zeichnet sich nicht nur darin aus, daß sie die Herstellung von Schaumkörpern mit definierten Abmessungen ermöglicht, sondern auch dadurch, daß sie lediglich geringe Abmessungen im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen aufweist.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 einen seitlichen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Metallschaums,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Metallschaums mit einem aufwärts geneigten Kanal,

Fig. 3 ein Detail aus einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Metallschaums mit einem senkrechten Kanal, ähnlich Fig. 1, und

Fig. 4 und 5 eine Aufsicht auf unterschiedliche Mundstücke, in Richtung des Pfeiles V aus Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Metallschaums dargestellt. In einem Formwerkzeug 12 ist ein Kanal 14 angeordnet. Dieser Kanal besteht in Flußrichtung A einer Metallschmelze gesehen aus einem ersten horizontalen Abschnitt 16, einem vertikalen Abschnitt 18 und einem daran anschließenden zweiten horizontalen Abschnitt 20.

Der horizontale Abschnitt 16 des Kanals 14 enthält eine Zuführöffnung 22 für eine Metallschmelze. Diese Schmelze gelangt von dem ersten horizontalen Abschnitt 16 in den vertikalen Abschnitt 18, in dessen Bodenbereich eine Gaszuführung 26 angeordnet ist. Diese weist eine Vielzahl kleiner Düsen in der Art eines Düsenkamms auf und wird in Richtung des Doppelpfeils B oszillierend bewegt. Über eine Druckregelung 28 ist der Gasdruck an der Gaszuführung regelbar. Der Pegel 30 der Metallschmelze wird durch eine nicht dargestellte Regeleinrichtung, im einfachsten Fall durch eine Schwimmeinrichtung, in einer parallelgeschalteten Ausgleichskammer auf eine Höhe h über dem Bodenbereich des vertikalen Kanalabschnitts 18 eingeregelt. Diese Höhe h liegt zwischen 150 und 500 mm, vorzugsweise bei 300 mm.

Der obere Teil des vertikalen Kanalabschnitts 18 und des horizontalen Kanalabschnitts 20 sind in einem Mundstück 32 angeordnet, das auswechselbar in dem Formwerkzeug 12 gehalten ist. Dieses Mundstück 32 enthält den Teil des Kanals 14, der oberhalb des Pegels 30 der Metallschmelze liegt. Das Profil des horizontalen Kanals 20 in dem Mundstück 32 kann entsprechend den Fig. 4 und 5 unterschiedlich gestaltet sein.

Der Pegel 30 der Metallschmelze bildet die Phasengrenze Schmelze/Schaum. Der über dem Pegel 30 befindliche Schaum tritt aus einer Abführöffnung 34 aus dem Formwerkzeug 12 aus und gelangt auf eine mit Antriebsrollen 36 versehene Transporteinrichtung. Die Abführöffnung 34 kann z. B. eine Breite von 2000 mm und eine Höhe von 200 mm aufweisen.

Die Geschwindigkeit des austretenden Metallschaumkörpers wird im wesentlichen durch die Zuführgeschwindigkeit der Metallschmelze und durch die Zuführgeschwindigkeit des Gases geregelt. Die Geschwindigkeit kann jedoch zusätzlich durch die Abzugsgeschwindigkeit geregelt werden, die durch die Antriebsrollen 36 einstellbar ist.

Der Übergangsbereich zwischen den Kanalabschnitten 16, 18 und 20 ist stetig gekrümmt, vorzugsweise als Teilradius ausgebildet, um Verwirbelungen und das Absetzen von Gasblasen an den entsprechenden Stellen zu vermeiden.

Fig. 2 zeigt eine weitere Vorrichtung zur Erzeugung eines Metallschaums. Diese Vorrichtung enthält ein Formwerkzeug 12′ mit einem Mundstück 32′, mit einem drei Abschnitte aufweisenden Kanal 14′. Der Kanal 14′ besteht aus einem ersten horizontalen Abschnitt 16, einem daran anschließenden schräg nach oben geneigten Abschnitt 18′, dem wiederum ein zweiter horizontaler Abschnitt 20 folgt.

Eine Gaszuführeinrichtung 26 ist im Bodenbereich zu Beginn des geneigten Kanalabschnitts 18′ angeordnet. Auch hier befindet sich die Phasengrenze Schmelze/ Schaum im geneigten Kanalabschnitt 18′ analog zur Vorrichtung in Fig. 1.

Obwohl die beste Homogenität des entstehenden Metallschaums in der Vorrichtung aus Fig. 1 zu erwarten ist, kann sich die Verwendung der Vorrichtungen aus der Fig. 2 empfehlen, wenn aus konstruktiven Gründen nur eine geringe Bauhöhe zur Verfügung steht.

Selbstverständlich können die Zuführ- und Abführöffnungen der Kanäle auch vertikal oder geneigt ausgerichtet sein, um an entsprechende Anlagen z. B. zur Herstellung einer Metallschmelze angeschlossen zu werden.

Fig. 3 zeigt den oberen Teil einer Gaszuführeinrichtung im Bodenbereich eines vertikalen Kanalabschnitts 18. Die Gaszuführung besteht hier aus einer Gasaustrittsöffnung 70 in Form einer Düse mit Einschnürung. Über dieser ist ein propellerartiger Rührer 72 angeordnet, der nicht nur zu einer Verwirbelung der Gasblasen, sondern auch zu einer Verwirbelung der Schmelze führt. Alternativ oder additiv dazu kann unterhalb der Gasaustrittsöffnung 70 ein ebenfalls in der Art eines Propellers ausgebildetes mechanisches Chopperelement 76 angeordnet sein, das zur Erzeugung eines intermittierenden Gasstrahls führt. Dieses Chopperelement 76 ist möglichst dicht unter der Gasaustrittsöffnung 70 angeordnet, um Schwingungs- und Resonanzerscheinungen der über dem Chopperelement befindlichen Gassäule zu vermeiden.

Die Fig. 4 und 5 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Mundstücken, wie sie anstelle des Mundstücks 32 in das Formwerkzeug 12 aus Fig. 1 eingesetzt werden können. Die Mundstücke sind in Aufsicht aus Pfeilrichtung V in Fig. 1 dargestellt. Neben Mundstücken zur Herstellung von planen Formteilen oder von zickzackförmig profilierten Formteilen ist die Herstellung aller Formen denkbar, die sich auch beim herkömmlichen Strangpressen herstellen lassen.

Die vorliegende Erfindung eignet sich zur Herstellung von Schäumen aus allen schäumbaren Metallen. Vorzugsweise gilt das für frisches Aluminium oder Aluminiumschrott.

Unterschiedliches Schäumungsverhalten von Legierungsschrott wird durch unterschiedliche Verfahrensführung (Steuerung der Gas- und der Schmelzenzuführung in Verbindung mit mechanischen Rührern) kontrolliert. Ferner ist in einem gewissen Maße eine Regelung des Schäumungsverhaltens über die Temperierung des Formwerkzeugs 12 inklusive des Mundstücks 32 möglich.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Herstellung eines Metallschaumes mit einem einen Kanal aufweisenden Formwerkzeug, wobei der Kanal einen eingangsseitigen, im wesentlichen horizontalen Abschnitt zur Zuführung einer Metallschmelze, einen ausgangsseitigen, im wesentlichen horizontalen Abschnitt sowie einen dazwischenliegenden, als Mischkammer dienenden vertikalen Abschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bodenbereich des vertikalen oder eines schräg nach oben geneigten Abschnittes (18; 18′) des Kanals (14; 14′) eine Gaszuführung (26) zum Durchsetzen der Metallschmelze mit einem Gas oder Gasgemisch angeordnet ist, daß eine Einrichtung zur Einstellung eines Pegels (30) der Metallschmelze im vertikalen oder schräg nach oben geneigten Abschnitt (18; 18′) vorhanden ist, wobei der Pegel (30) die Phasengrenze Metallschmelze/Metallschaum bildet, und daß oberhalb des Pegels (30) im Übergangsbereich vom vertikalen oder schräg nach oben geneigten Abschnitt (18; 18′) zum ausgangsseitigen horizontalen Abschnitt (20) ein Mundstück (32) zur Vorformung des gewünschten Metall-Schaumprofils angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführung (26) als Düsenkamm oder siebartige Düsenanordnung mit vielen Gasaustrittsöffnungen, z. B. ein poröser Stein, ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführung (26) oszillierend bewegbar angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor einer Gasaustrittsöffnung (70) der Gaszuführung (26) eine mechanische Chopper-Einrichtung (76) zur Erzeugung eines intermittierenden Gasstromes angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug (12; 12′) zur Aufnahme auswechselbarer Mundstücke (32) mit unterschiedlichen Kanalprofilen und oder Querschnitten ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kanals (14; 14′) in Richtung auf eine ausgangsseitige Abführöffnung (34; 34′) verjüngt ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über der Gasaustrittsöffnung (70) ein propellerartiger Rührer (72) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnung (70) als Gasdüse zur Erzeugung eines divergierenden Gasstrahls ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwimmerkammer zur Einregelung des Pegelstandes (30) der Metallschmelze vorhanden ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegel (30) in einer Höhe h von etwa 300 mm über dem Bodenbereich des vertikalen Abschnitts (18) eingestellt ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Metallschaumes in einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, bei dem einer schäumbaren Metall- oder Legierungsschmelze ein Gas oder ein Gasgemisch zugeführt und der sich dabei bildende Metallschaum abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze kontinuierlich zugeführt, das Gas der Schmelze in dem Kanal unmittelbar zugesetzt, im Kanal ein Pegel der Schmelze eingestellt wird, welcher die Phasengrenze Schmelze/Schaum bildet, und daß der Schaum von der Phasengrenze aus kontinuierlich in ein vorformendes Mundstück hineingeschoben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas intermittierend in die Schmelze eingeblasen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Kanal (14) eine Gaszuführung (26) mit vielen Gasdüsen angeordnet ist, und daß die Gaszuführung (26) während des Einblasvorganges oszillierend bewegt wird.