DE65892C - Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen mittelst Elektricität - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT)

PATENTSCHRIFT

KLASSE 31: Giesserei und Formerei.

Patentlrt Im Deutschen Reiche vom ii. October i8go ab. ■

Die vorliegende Erfindung hat zu ihrem Gegenstand ein Giefsverfahren von Metallen und metallenen Gegenständen bezw. Metallwaaren mittelst eines elektrischen Lichtbogens.

Als Material für den Gufs kann jedes beliebige Metall oder jede beliebige Legirung benutzt werden, wobei jedoch erforderlich ist, dafs das Material in Gestalt von mehr oder minder langen Stangen (Eisen und Stahl, als Stangeneisen oder -Stahl, Reifeneisen oder -Stahl u. s. w., Walz- und Schmiedestahl und. Roheisen und Kupferlegirungen gegossen), von verschiedener Dicke, angefertigt sei, in Abhängigkeit von der verfügbaren Stromstärke und der Gröfse des Gufsstückes. Diese Stangen bilden eine der Elektroden eines selbsttätig regulirten elektrischen Lichtbogens, durch dessen Wirkung sie rasch ins Schmelzen kommen. Eine solche continuirliche Schmelzung mäisigt die Temperatur des elektrischen Lichtbogens in höherem oder geringerem Grade, je nach der Schmelzfiihigkeit der geschmolzenen Elektrode. Diese Temperaturerniedrigung ist in der Hinsicht nicht zu unterschätzen, als durch dieselbe ein 'allzustarkes Ueberwa'rmen des Metalles, was beim Gebrauch einer Kohlenelektrode eintritt, vermieden wird. Während des Giefsens mufs der eine Pol der elektrischen Maschine mit der Form, verbunden sein, der andere aber mit der Klemme des selbsttätigen Regulators,' durch welchen der Strom in die zu schmelzende Metallstange eintritt, und von hier aus weiter, durch den elektrischen Bogen, in die Form übergeht. Ist die Form aus einem Nichtleiter hergestellt, so kann der erste Pol mit der Kohlenstange oder, noch besser, mit einer

Metallstange, wie eine solche in den Regulator eingestellt ist (oder einer dickeren), verbunden sein, wobei zwischen dieser in die Form versenkten Stange und der Stange des Regulators ein elektrischer Lichtbogen so lange besteht, bis sich ein gewisses Quantum von geschmolzenem Metall angesammelt hat, worauf der elektrische Lichtbogen schon zwischen dem Regulator und dem flüssigen Metall sein wird, während die besagte Stange mit dem flüssigen Metall in Berührung kommen mufs, wobei sie rasch schmilzt und dadurch sowohl die Arbeit bedeutend beschleunigt, als auch den Abbrand des Metalles vermindert.

Es ist durchaus nicht gleichgültig, welcher Pol der Maschine mit der Form Und welcher mit dem Regulator verbunden wird. So ist beim Giefsen von Roheisen mit dem Regulator, d. h. der schmelzenden Stange, der positive Pol zu verbinden, beim Giefsen anderer Metalle aber entweder dieser oder jener Pol, ganz nach dem zu erzielenden Effect. Mit dem positiven Pol, weil derselbe eine höhere Temperatur entwickelt, wird der Theil verbunden, welchen man mehr erwärmt zu haben wünscht.

Ueberdies unterscheiden sich der positive und negative Pol noch durch ihre bezw. chemische Wirkung auf das geschmolzene Metall. Wird z. B. beim Giefsen von Roheisen die geschmolzene Stange mit dem negativen Pol verbunden, so erhält man einen harten, unbrauchbaren Gufs.

Als bestes Formmaterial für Roheisen und Kupferlegirungen bewährt sich geprefster Koks, für Eisen und Stahl Quarzsand mit Beimengung

von Bindestoffen. Der Gufs mittels Elektricität ist nicht ohne selbsttätiges Reguliren der Länge des Lichtbogens zu bewerkstelligen.

Als selbsttätiger Regulator könnte fast jeder Regulator, welcher bei Lichtbogenlampen gebraucht wird, in Verwendung kommen; es wäre hierzu nur nöthig, einen der Kohlenhalter (den unbeweglichen, unteren) zu entfernen, in den anderen die geschmolzene Stange einzustellen und endlich das Solenoid oder den Elektromagneten mit einer dickeren Umwickelung zu versehen.

Der nachfolgend beschriebene Regulator ist in Fig. ι, 2 und 3 im Längen- und Querdurchschnitt dargestellt.

Um den Punkt O (Fig. 1 und 2) kann ein Hebel L frei schwingen, welcher mit seinem oberen Ende, mittelst der Rolle r und der Coulisse k, mit dem eisernen, hufeisenförmigen Eisenkern des doppelten Solenoids s verbunden ist; alsBewegungsleiter des Kernes, dienen drei Rollen r¹. Die Feder R, welche an der a'ufseren Hülse des Regulators befestigt ist und' auf den Hebel L wirkt, ist bestrebt, den Kern k aus dem Solenoid herauszustofsen. Die Umwickelung jeder Spule des Solenoids ist aus einem ganzen Stück rothen Kupfers angefertigt in Form eines Rohres, dessen Wände schraubenartig durchschnitten sind; eine solche Umwickelung bedarf keiner Isolirung und ist aufserdem im Stande, eine starke Erwärmung auszuhalten. Das untere Ende des Hebels L ist in Form einer Muffe erweitert und mit einer Oeffnung versehen, durch welche ein rundes, dickwandiges Rohr T (aus Eisen oder Stahl) durchgeht; dieses Rohr kann sich in der Oeffnung des Hebels L frei bewegen und vorwärts und rückwärts gehen, wenn auf die Klemmschraube W nicht gedrückt wird. Mitten durch das Rohr T geht eine Spindel V, an deren einem Ende eine Scheibe d befestigt ist, welche als Handgriff zum Drehen dieser Spindel dient, während auf dem anderen Ende eine geriffelte Rolle r" aus gehärtetem Stahl aufgesetzt ist; auf diese Rolle r" drückt eine dritte r'" mittelst einer starken Feder. Niedriger befinden sich zwei weitere Rollen, von denen die eine r^IV unbeweglich ist, die andere aber auf der Feder p' sitzt. Alle diese vier Rollen dienen als Bewegungsleiter der geschmolzenen Stange s. Die Last Q hält das gesammte bewegliche System im Gleichgewicht. Auf dem Rohr T befindet sich noch die Klemmschraube Z mit einer Kohlenstange, deren Bestimmungszweck weiter angedeutet werden wird. X ist ein eisernes Schild, versehen mit einer Oeffnung zum Durchlassen der geschmolzenen Stange, welche zum Schutz der Rollen vor Hitze und Metallstrahlen dienen soll. ■

Beim Gufs unter Zuhülfenahme von zwei Regulatoren (wovon später die Rede, ist)' hat man sich einer Differentialregulirungsvorrichtung zu- bedienen. Die Einrichtung des Obertheiles dieses. Apparates ist durch Fig. 5, 6 und 7 veranschaulicht; er besteht aus vier Solenoiden, wovon, zwei mit dicker Umwickelung und zwei mit dünner; der eiserne Kern hat die Gestalt des Buchstabens H. ' " ■

Der Strom macht den folgenden Weg: der Leiter a, die isolirte Klemmschraube A, die Umwickelung des Solenoids, der Körper (das Gestell) des Regulators, die schmelzende Stange, der Lichtbogen, das geschmolzene Metall und die Form oder die andere Metallstange.

Bedient man sich eines Differentialregulators, so ist eines der Enden der dünnen Umwickelung mit der Klemmschraube A, das andere mit der Klemmschraube A' verbunden, welche letztere bei der Arbeit mit der Klemmschraube A des anderen Regulators in Verbindung stehen mufs.

Die Arbeit mit dem Regulator besteht in folgendem: Der Regulator wird auf eine Schnur (hinter der Klemmschraube A) über der Form aufgehängt, alsdann verbindet man in der gehörigen Weise die Leiter und stellt die schmelzende Stange ein. Hierauf nimmt der Arbeiter den Regulator in die eine Hand, während er mit der anderen die Scheibe d dreht, bis die schmelzende Stange mit der Form in Berührung gelangt. Sobald dieses geschieht, zieht das Solenoid den Kern in sich ein, wobei sich ein Lichtbogen bildet; die Stange s fängt sofort an zu schmelzen und die Tropfen des geschmolzenen Metalles fallen in die Form. Während die Stange schmilzt, nimmt der Lichtbogen derart rasch zu, dafs₍ falls keine selbsttätige Regulirung stattfände, es unmöglich wäre, denselben zu erhalten.

Bei der Zunahme des Lichtbogens wird die Stromstärke schwächer, die Feder R beginnt die Einziehungskraft des Solenoids zu bewältigen, und das Ende des Rohres T mit der schmelzenden Stange senkt sich. In längeren oder kürzeren Zwischenräumen wird es nöthig, die Stange mit der Hand; mittelst der Scheibe rf> der Spindel Fund der Rolle/·" herabzulassen, was jedoch durchaus keine Schwierigkeiten verursacht, da der Regulator die Fehler der. Hand berichtigt und der elektrische Lichtbogen nicht unterbrochen wird. Ueberdies ist durch die selbsttätige Regulirung die Möglichkeit geboten, den Strom unmittelbar von der Dynamomaschine zu benutzen, ohne dafs. Accumulatoren erforderlich wären. In der That, beim plötzlichen Schliefsen eines sehr starken Stromes (durch eine Kette von geringem Widerstände), was im vorliegenden Fall unvermeidlich ist, verringert sich der Unterschied der Potentiale sehr bedeutend,, und ein Giefsen mittelst eines Stromes unmittelbar von der Maschine wäre unmöglich, weil der elektrische Lichtbogen

sofort nach seinem Entstehen aufhören würde, wie er auch bei jeder Aenderurig in der Stärke des Stromes (beim Fallen eines jeden Tropfens des geschmolzenen Metalles u. s. w.) aufhören würde; doch der selbsttätige Regulator verkleinert die Länge des elektrischen Lichtbogens rechtzeitig vor dessen Erlöschen.

Der Gufs kann nach einer der nachfolgenden Arten bewerkstelligt werden.

I. Gufs mit einem einfachen Regulator.

Einer der Pole Q der Elektricitätsquelle wird mit dem Regulator, der andere k mit der Form verbunden, wenn dieselbe aus einem Elektricitätsleiter hergestellt ist, oder mit dem aufgeschmolzenen Gegenstand (Fig. 4) oder mit der Kohlen- oder Metallstange, welche in dem Handgriff (Fig. 8) befestigt und in die Form hineingelassen ist, verbunden.

II. Gufs mit zwei Differentialregu

latoren.

Einer der Pole α ist mit der Klemmschraube des einen Regulators und der andere Pol k mit einer solchen Klemmschraube des anderen. Regulators verbunden; aufserdem sind die Klemmschrauben der dünnen Umwickelung A' mit den Klemmschrauben A des anderen Regulators verbunden. Auf diese Weise ist die Möglichkeit vorhanden, zugleich mit beiden Regulatoren mittelst zweier elektrischer Lichtbögen (Fig. 9) zu giefseu oder, je nach den Umständen, nur mit einem derselben,, wobei der andere als Leiter wirkt (Fig. 10). Die schmelzende Stange des einen Regulators wird mit dem positiven Pol verbunden und die Stange des anderen mit dem negativen; wenn man somit diesen oder jenen oder beide zugleich wirken läfst, so werden verschiedene Licht- und chemische Effecte erzielt.

Bei allen diesen Arten können, wenn eine ziemlich grofse Metallmenge gegossen wird, während des Giefsens kleine Metallstücke in die flüssige Masse hineingeworfen werden, was die Arbeit wesentlich fördert und zugleich auch die Temperatur erniedrigt.

Beim Gufs ist durchaus erforderlich, den Unterschied der Potentiale zu kennen, wie man auch von der Stromstärke eine genaue Vonstellung haben mufs.

Nach dem oben beschriebenen Verfahren können sowohl nicht allzu grofse Gegenstände abgegossen, als auch zwei Metallstücke vereinigt werden durch Eingiefsen von' flüssigem Metall in den zwischen ihnen befindlichen Zwischenraum. Doch die wichtigste Und weittragendste Anwendung des Verfahrens besteht in der Ausbesserung von Gufs- und Schmiedestücken, : nämlich in dem Ausgiefsen der Gufsblasen in Roheisen- und· Kupferstücken,, der Haarrisse,. Sandblasen u. s. w. in Stahlgegensta'nden, der Schwundstellen in Eisengegenständen (Eisenstücken)¹ und in dem Zugiefsen zu dem vorhandenen' Gegenstande kleiner fehlender Theile. Das gegossene Metall erhält man in reinem, festem und· weichem Zustande, wenn das Eingiefsen in die Form,, welche auf der einzugiefsenden Stelle aufgestellt ist, stattfindet. In· diesem· Fälle spielt das Metall,, womit die Form gefüllt ist, ganz dieselbe Rolle, wie der Giefszapfen beim Giefsen auf gewöhnlichem Wege aus dem Ofen. Eine weitere Hauptbedingung eines guten Gusses ist die, dafs derselbe nicht schichtenweise, sondern continuirlich durchgeführt werde. Sollte die in den Regulator eingestellte schmelzende Stange zur Ausfüllung des ganzen Gufsstückes nicht genügend sein,- so könnte man dieselbe verlängern, ohne den Gufs zu unterbrechen, z, B. durch Aufschrauben einer anderen Stange, wie solches in Fig.· 1 bei y dargestellt ist, obgleich es in den meisten Fällen immer noch Zeit ist, den Rest herauszuwerfen und eine neue Stange einzustellen. Das Nachgiefsen zur Ausfüllung der Blasen in Roheisenstücken verursacht die gröfsten Schwierigkeiten, wie auch hierbei gewisse Eigentümlichkeiten nicht aufser Acht zu lassen sind. Zuerst sei zu bemerken, dafs sich nicht jedes Roheisen überhaupt zur Anfertigung der schmelzenden Stange eignet, sondern dafs eine entsprechende Auswahl zu geschehen hat. Die besagte Stange mufs unbedingt mit dem positiven Pol verbunden sein, und trotzdem geschieht es, dafs, nachdem der Eingufs geschehen und das Stück ausgeglüht ist, man auch im allgemeinen weiches Gufseisen erhalten wird auf der Grenze zwischen dem Gufseisen und dem geschmolzenen Metall des eingegossenen Gegenstandes. Eine sogenannte Härtung ist bemerklich, d. h. das Gufseisen wird weifs und hart. Wenn also erforderlich ist, die eingegossene Stelle noch einer mechanischen Bearbeitung zu unterwerfen, so kalirt mart gleich nach dem Eingiefsen, so lange das Roheisen noch flüssig ist, eine weitere Operation vor-' nehmen, nämlich: die Klemme W (Fig. r, 2 und 3) loslassen, das Rohr T in der Weise umdrehen, dafs die Kohle in der Klemme Z nach unten gerichtet ist und zwischen dem flüssigen Roheisen und der Kohle den elektrischen Lichtbogen schliefsen, welches· eine gewisse Zeit zu dauern hat. Alsdann wird keine Härtung mehr zu beobachten sein und das Roheisen erhält man um so weicher und reicher an Graphit, als das Erwärmen mittelst des elektrischen Lichtbogens länger gedauert hat. Letztere Erscheinung: ist daraus zu erklären, dafs das flüssige Roheisen sich an Kohlenstoff (Graphit) aus der Kohle anreichert. Bekanntlich werden von dem positiven Pol des elektrischen Lichtbogens mehr Theile auf den

Claims (4)

1. negativen Pol übertragen, als umgekehrt. Deshalb findet wahrscheinlich auch eine Anreicherung des Roheisens mit Kohlenstoff statt, wenn die Kohle mit dem positiven Pol verbunden ist; wird aber eine entgegengesetzte Verbindung vorgenommen, so erhält man nach dem Durchwärmen vollkommen weifscs und hartes Roheisen. Alles Vorerwähnte bezieht sich nicht auf das Vergiefsen von Gti)"Msengegenständen in nichtmetallische Formen; mjIIic jedoch gerade das letztere beabsichtigt sein, so wäre fast jedes Roheisen verwendbar und könnte man sogar aus Eisen ein gufseisernes Stück giefsen, vorausgesetzt, dafs die Form aus Koks sei, d. h. das Eisen während des Gusses in Gufseisen übergehen könnte durch Aufnahme (Absorption) des Kohlenstoffes aus der Form.

   Es möge noch auf weitere, minder wichtige Anwendungen des elektrischen Stromes beim Giefsen hingewiesen werden. Das hier beschriebene Verfahren könnte noch ' in unten anstehenden Fällen gebraucht werden.

   ι. Beim Giefsen von nicht allzu grofsen Gegenständen auf gewöhnlichem Wege aus jedem beliebigen Metall, welches in flüssigem Zustande nach dem vorliegenden Verfahren erhalten werde. Hier hätte als eine Elektrode der Regulator zu wirken, während als der andere der Tiegel bezw. die darin eingestellte Stange dient, in welchen sich auch das geschmolzene Metall ansammelt. Diese Arbeit kann auch in einigen besonderen Fällen angewendet werden, z.B. wenn es sich darum handelt,' einen Gegenstand eilig zu giefsen und keine Oefen zum Schmelzen des Metalles vorhanden sind, oder wenn es wegen des Gusses eines kleinen Gegenstandes nicht lohnen sollte, den Ofen zu erwärmen.
2. 2. Beim Giefsen von Metallen, Legirungen und überhaupt Substanzen, welche, obgleich sie die Elektricität leiten, doch sehr schwer schmelzbar sind, weshalb es äufserst schwierig oder sogar unmöglich ist, dieselben auf den gewöhnlichen Wegen zu schmelzen.
3. 3. Beim gleichzeitigen Giefsen von zwei oder mehreren Metallen oder zur Herstellung einer Legirung aus gewissen Bestandteilen. Hierbei ist nur erforderlich, anstatt einer schmelzenden Stange in den Regulator zwei oder mehrere solcher Stangen aus den betreffenden Substanzen einzustellen; sie werden alsdann gleichzeitig schmelzen und die Form ausfüllen.
4. 4. Beim Giefsen, wenn hierbei irgend eine bestimmte Aenderung in dem chemischen Bestand oder den physischen Eigenschaften des gegossenen Metalles erzielt werden soll. Nach Angabe des Erfinders haben die Versuche gezeigt, dafs:

   a) Messing nach dem elektrischen Giefsen sich sowohl in seinem chemischen Bestarid wesentlich ändert infolge des Ausbrennens von Zink und, möglicherweise, infolge noch anderer Processe, als auch in seinen physischen Eigenschaften (Aenderungsvorgange in der Farbe und den mechanischen Eigenschaften);

   b) Eisen und Stahl, nach vorläufigem Durchlassen durch'eine hohle bezw. röhrenförmige Kohlenstange, beim Giefsen in eine Koksschale in Gufseisen übergehen, welches letztere so reichhaltig an Graphit ist, dafs es fast das. Aussehen von reinem Graphit besitzt und überdies scheinbar auch Diamantthcilchen enthalten mufs, weil es ungeachtet seiner aufserorderitlichen Weichheit mit einigen Punkten seiner Oberfläche Glas schneidet;

   c) weifses, hartes Roheisen nach geschehenem Aufschmelzen einer " dünnen Rohcisenschicht und dem vorerwähnten Durchwärmen mit der Kohlenelektrode, welche mit dem positiven Pol verbunden ist, in schönes, weiches, feinkörniges, graues Roheisen übergellt und dieses auf die ganze Tiefe, bis wohin das Material während der Arbeit geschmolzen ist.

   Dieser letztere Aenderungsvorgang verleiht dem elektrischen Giefsverfahren einen ganz besonderen Werth für mechanische Fabriken, weil bei der Anwendung dieses Verfahrens es möglich wird: a) Maschinenteile aus jeder Art Roheisen zu giefsen, worauf die Oberfläche des gegossenen Gegenstandes nach diesem Verfahren erweicht wird, und b) die abgegossenen Gegenstände auszubessern, bei denen zufällig eine Härtung der scharfen Nähte u. s. w. stattgefunden hat. ' ■ .

   Paten τ-Ansprüche:

   1. Ein Verfahren zum Schmelzen von Metallen oder Legirungen mittelst des elektrischen Lichtbogens, wobei die Form oder das darin enthaltene Metall als eine Elektrode wirkt, während die andere durch das schmelzende Metall gebildet wird, welches in Stangenform mit einem selbsttätig wirkenden Regulator so verbunden ist, dafs der erforderliche Vorschub von dem Regulator geleistet oder der von Hand bewirkte Vorschub durch denselben regulirt, wird.'

   2. Die Abänderung des unter 1. erläuterten Verfahrens dahin, dafs zwei elektrische Lichtbogen zum Schmelzen verwendet werden, deren eine Elektrode wiederum eine Stange des zu schmelzenden Metalles bildet, wobei der Vorschub der zu schmelzenden Stangen durch einen Differentialregulator in der Weise erfolgt, dafs beliebig mit zwei oder einem Lichtbogen gearbeitet werden

   ■ kann. ■

   3. Bei der Ausführung des unter i< geschützten Verfahrens die Verwendung eines Regulators

   (Fig. ι bis 3), dessen frei schwingender Hebel L einerseits durch das Solenoid S, andererseits durch eine entgegengesetzt wirkende Feder R beeinflufst wird, und an seinem kurzen Schenkel die ausbalancirte Führungsstange T tragt, an deren einem Ende die zu schmelzende Stange zwischen Rollen geführt wird, deren eine mittelst der in T gelagerten Spindel U von Hand bethä'tigt werden kann.

   Die Umformung des vorbeschriebenen Regulators zu einem Diffcrentialregulator (Fig. 5 bis 7) unter Verwendung von vier in H-Form angeordneten Solenoiden.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.