EP4347154B1 - Giessvorrichtung zum giessen einer schmelze, sowie ein verfahren zum giessen einer schmelze - Google Patents

Giessvorrichtung zum giessen einer schmelze, sowie ein verfahren zum giessen einer schmelze Download PDF

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EP4347154B1
EP4347154B1 EP22727243.2A EP22727243A EP4347154B1 EP 4347154 B1 EP4347154 B1 EP 4347154B1 EP 22727243 A EP22727243 A EP 22727243A EP 4347154 B1 EP4347154 B1 EP 4347154B1
Authority
EP
European Patent Office
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melt
electrode
casting
flow connecting
connecting element
Prior art date
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Active
Application number
EP22727243.2A
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English (en)
French (fr)
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EP4347154A1 (de
EP4347154C0 (de
Inventor
Jürgen ILLK
Edmundo OLIVEIRA
Christian PUMBERGER
Markus SCHEIKL
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Fill GmbH
Original Assignee
Fill GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/08—Controlling, supervising, e.g. for safety reasons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/001—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths of specific alloys
    • B22D11/003—Aluminium alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/04—Low pressure casting, i.e. making use of pressures up to a few bars to fill the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D39/00—Equipment for supplying molten metal in rations
    • B22D39/003—Equipment for supplying molten metal in rations using electromagnetic field

Definitions

  • the invention relates to a casting device for casting a melt, as well as a method for casting a melt.
  • Electromagnetic pumps for conveying a melt between a melting furnace and a casting mold are known.
  • the structure of the EP1097013B1 has the disadvantage that the electromagnetic pump has a poor effectiveness, especially with paramagnetic materials such as aluminum.
  • the object of the present invention was to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a method and a device by means of which paramagnetic materials can also be transported.
  • the casting device according to the invention has the advantage that it can improve the quality of the casting process.
  • the magnetic element may be designed as an electromagnet.
  • An electromagnet offers the advantage that the magnetic field can be applied selectively.
  • At least one first heating element is arranged in the region of the first electrode and at least one second heating element is arranged in the region of the second electrode.
  • the melt can be maintained at a certain melt level in the riser tube between individual casting processes, particularly during the removal of a cast workpiece, without the melt flowing in the riser tube.
  • the measures according to the invention ensure that the melt does not solidify in the area of the electrodes.
  • the first heating element and the second heating element are each designed in the form of a resistance heating element, in particular with a ceramic heating conductor.
  • a heating element designed in this way can be easily heated as needed, and, moreover, a sufficiently high temperature can be achieved to heat the electrodes.
  • resistance heating elements with a ceramic heating conductor can be heated quickly to a high temperature.
  • two of the first heating elements are arranged on opposite sides of the cross-section of the first electrode. This has the advantage that the electrode can be heated evenly and/or more quickly across its cross-section.
  • the first electrode has a rectangular cross-section and that two of the first heating elements are arranged on opposite sides of the cross-section of the first electrode. This has the advantage that the electrode can be heated evenly across its cross-section.
  • the heating elements are dimensioned in such a way that if one of the two heating elements fails, the second of the heating elements can still provide sufficient heat energy to maintain the required temperature.
  • a machine control system detects a failure of one of the heating elements and automatically heats the remaining heating element(s) beyond normal operation to compensate for the failure of one of the heating elements.
  • the failure of one of the heating elements can be detected, for example, by the lack of power consumption.
  • Another advantageous embodiment is one in which one of the first heating elements is arranged on each of the four sides of the rectangular cross-section of the first electrode. This has the advantage that the electrode can be heated evenly across its cross-section.
  • the electrodes it is possible for the electrodes to comprise a graphite material in a first region of the melt contact surfaces.
  • a graphite material has the advantage that it does not oxidize when contacted by an aluminum melt. Furthermore, a graphite material is a good electrical conductor. Furthermore, a graphite material exhibits high temperature resistance.
  • the electrodes may comprise an electrically conductive ceramic material in a first region of the melt contact surfaces.
  • a ceramic material offers the advantage of being surprisingly well suited for contacting the melt in the intended application.
  • the ceramic material exhibits high resistance to deformation, wear, and chemical corrosion.
  • the ceramic may be manufactured as a sintered component.
  • the electrodes comprise a zirconium carbide material in a first region of the melt contact surfaces.
  • Zirconium carbide is a compound with high chemical variability in the Zr-C ratio.
  • Zirconium carbide exists in a composition range from ZrC1.0 to approximately ZrC0.6. The electrical properties remain largely stable.
  • Zirconium carbide differs from other materials in that it is thermally, chemically, and mechanically stable up to extremely high temperatures of 2500 °C.
  • the electrodes may be made of an austenitic material in a second region facing away from the melt contact surfaces. This has the advantage that an austenitic material exhibits good electrical conductivity while maintaining sufficient temperature resistance. This has the further advantage that the magnetic field is least affected by an austenitic material. Ferritic materials would deflect the magnetic field.
  • the heating elements are each arranged in the second region of the electrodes.
  • bores are formed in the second region of the first electrode, in which rod-shaped first heating elements are arranged.
  • the use of rod-shaped heating elements inserted into the bores offers the advantage that the electrode can be heated evenly and from the inside out.
  • the use of the rod-shaped heating elements in the second region of the first electrode can achieve good heat introduction into the electrode.
  • bores are formed in the second region of the second electrode, in which rod-shaped first heating elements are arranged.
  • the bores for the rod-shaped heating elements are introduced into the second region of the electrode starting from the separating surface between the first region of the electrode and the second region of the electrode.
  • the heating elements are designed in the form of flat heaters, which can have a rectangular cross-section.
  • the magnetic element can comprise a first coil and a second coil, which are arranged on two diametrically opposite sides of the cross-section of the flow connection element. This has the advantage that such an arrangement allows a high magnetic field to be applied to the flow connection element.
  • the magnetic element comprises a magnetic core, in particular an iron core, which is C-shaped and arranged in the region of the flow connection element such that the flow connection element is arranged between a first open end of the magnetic core and a second open end of the magnetic core, wherein the first coil surrounds the first open end of the magnetic core and the second coil surrounds the second open end of the magnetic core.
  • a plurality of flow connection elements are formed which are arranged evenly distributed around a center, wherein individual magnetic core segments are arranged between the flow connection elements, wherein a magnetic core segment in each case faces a first of the flow connection elements at a first longitudinal end and faces a second of the flow connection elements at a second longitudinal end, wherein the first longitudinal end of the magnetic core segment is surrounded by a first of the individual coils and the second longitudinal end of the magnetic core segment is surrounded by a second of the individual coils.
  • This arrangement of the magnetic core segments can be designed to be uniformly distributed around the circumference. With such a design, it is conceivable that two flow connection elements, three flow connection elements, four flow connection elements, five flow connection elements or a higher number of flow connection elements are arranged evenly distributed around the circumference.
  • the individual coils are all supplied with current together in order to generate a magnetic field.
  • the individual coils it is also conceivable for the individual coils to be selectively and independently energized to generate a magnetic field. This has the advantage that the magnetic field can be generated with varying strengths across the air gap.
  • the magnetic element comprises several individual coils which are arranged uniformly distributed around the cross section of the flow connection element, with magnetic core segments being arranged between the individual coils are arranged, wherein a magnetic core segment is surrounded at a first longitudinal end by a first of the individual coils and at a second longitudinal end by a second of the individual coils.
  • a cooling device can be provided in the area of the coils. This has the advantage that this measure can prevent overheating of the coils.
  • the electrodes are interchangeable.
  • a first recess is formed in the flow connection element, which serves to accommodate the first electrode. Furthermore, a second recess can be formed, which serves to accommodate the second electrode.
  • the first electrode forms a clearance fit with the first recess, so that the first electrode closes the first recess when inserted into the first recess.
  • the second electrode forms a clearance fit with the second recess, so that the second electrode closes the second recess when inserted into the second recess.
  • a first positioning element is formed on the first electrode, which serves for the positive positioning of the first electrode in the flow connection element.
  • the first positioning element serves for axial positioning and thus for determining the position of the first melt contact surface.
  • the first positioning element is designed in the form of a shoulder, wherein the first electrode is pushed into the flow connection element until the shoulder comes to rest against a contact surface of the flow connection element. Furthermore, it can be provided that the first electrode is pressed into the flow connection element by means of a first pressing element. is pressed in so that the shoulder is pressed against the contact surface of the flow connection element. In particular, it can be provided that the first pressing element is designed in the form of a spring element.
  • a sealing element is arranged on the contact surface or on the shoulder, or that a sealing element is arranged between the contact surface and the shoulder. This has the advantage of achieving an improved seal between the first electrode and the flow connection element.
  • a second positioning element is formed on the second electrode, which serves for the positive positioning of the second electrode in the flow connection element.
  • the second positioning element serves for axial positioning and thus for determining the position of the first melt contact surface.
  • the second positioning element is designed in the form of a shoulder, wherein the second electrode is pushed into the flow connection element until the shoulder comes into contact with a contact surface of the flow connection element. Furthermore, it can be provided that the second electrode is pressed into the flow connection element by means of a second pressing element, so that the shoulder is pressed against the contact surface of the flow connection element. In particular, it can be provided that the second pressing element is designed in the form of a spring element.
  • a sealing element is arranged on the contact surface or on the shoulder, or that a sealing element is arranged between the contact surface and the shoulder. This has the advantage of achieving an improved seal between the second electrode and the flow connection element.
  • first melt contact surface and the second melt contact surface have a surface in the form of a cylinder segment and, in the installed state of the first electrode and the second electrode, continue the inner surface of the flow connection element.
  • the cross-section of the flow connection element can be rectangular, at least in sections, and the two melt contact surfaces can be arranged opposite each other and parallel to each other. This has the advantage that the short-circuit current can flow evenly across the melt contact surfaces. This allows a more uniform magnetic field to be generated in the melt.
  • the electrodes are connected to power sources via detachable clamp contacts. This allows the individual electrodes to be easily and conveniently replaced as needed.
  • the invention also relates to a method for casting a melt of a metallic material according to independent claim 12.
  • the melt of the metallic material is subjected to current by means of a first electrode and a second electrode, which contact the metallic material via melt contact surfaces.
  • a magnetic field acts on the current-exposed area of the melt, with the electrodes being heated by heating elements as needed.
  • the electrodes can be heated when the melt flow in the flow connection element is stopped. This has the advantage of preventing local solidification of the melt in the area of the electrodes.
  • the electrodes are not heated if the melt flow in the flow connection element is sufficiently high and constant.
  • the pressure in the receiving chamber is increased such that a constant pressure increase occurs at the inlet of the casting mold, in particular a pressure increase between 16 mbar/s and 45 mbar/s, preferably between 23 mbar/s and 35 mbar/s. Particularly with such a pressure increase, a surprisingly good casting result can be achieved.
  • a deviation of up to 3 mbar/s from a linear pressure increase is also considered a constant pressure increase.
  • the values given in the above paragraph may relate to an increase in the differential pressure between the receiving space and the mold cavity. For example, if If the counterpressure in the mold cavity is increased or decreased in a counterpressure casting process, this can be taken into account accordingly in order to achieve a constant pressure increase.
  • a computer-implemented simulation model is used to calculate the pressure increase, activation times, and activation intensities of the magnetic field, as well as the activation times and activation intensities of the current applied to the melt, at which a casting process with as few cavities as possible in the cast workpiece can be achieved.
  • the computer-implemented simulation model can take into account a pressure curve for the pressurization in the melt receiving chamber.
  • the simulation model can be limited to the area of the inlet into the casting mold, whereby the flow velocities at the inlet of the flow connection element can be disregarded.
  • This calculation result can be used to determine the activation times and activation intensities of the magnetic field, the activation times and activation intensities of the current applied to the melt, as well as to determine the pressure curve for the pressurization in the melt receiving chamber.
  • the computer-implemented simulation model carries out the calculations using an artificial neural network.
  • a digital twin of the casting device is created and that the computer-implemented simulation model is adapted during the casting process.
  • melt properties such as a melt temperature
  • the parameters of the casting process such as the temporal pressure increase curve and/or the temporal course and intensity of the generation of the magnetic field and/or the temporal course and intensity of the current application to the melt, are adapted depending on the melt properties.
  • a change in the current or voltage applied to the coils or a change in the current or voltage applied to the electrodes is detected by the machine control system, and the currents and voltages can be adjusted accordingly by the machine control system.
  • This adjustment can be made based on stored adjustment tables.
  • the adjustment can be made using a neural network.
  • the measured currents and voltages can be used to determine the presence of defects.
  • the recorded currents and voltages, as well as other sensor values can be considered in a simulation of the casting process. This allows conclusions to be drawn about the quality of the cast workpiece. If a quality defect is suspected, a quality inspection of the cast workpiece can be recommended.
  • a heating process for heating the electrodes is started with a lead time before the melt flow stops or before a minimum flow rate is undershot, wherein the lead time is between 1 second and 600 seconds, in particular between 5 seconds and 120 seconds, preferably between 10 seconds and 60 seconds.
  • the melt in the flow connection element is subjected to current and the magnetic field is activated, which acts on the area of the melt subjected to current in order to braking before a melt level flows from a gate into a mold cavity, and during this time, the pressure in the receiving chamber is increased, and the magnetic field is deactivated at a predetermined time.
  • This allows increased pressure to build up in the receiving chamber without melt flowing into the mold cavity.
  • the melt can then be allowed to flow into the mold cavity at an increased speed. This results in a shortening of the cycle time.
  • the pressure in the receiving chamber is increased according to the above paragraph while an already cast workpiece is removed from the mold cavity. Subsequently, the magnetic field can be deactivated, at least temporarily, when the mold cavity is closed again.
  • an air chamber to be coupled to the receiving chamber, particularly in a compressed air supply line upstream of the compressed air supply opening.
  • the air chamber can be used to temporarily store compressed air in order to increase the pressure in the receiving chamber at a higher rate. This allows the melt to flow into the mold cavity at a higher rate. This results in a reduction in cycle time.
  • a control system can be provided which is designed such that the electrodes are continuously heated to a temperature higher than the solidus temperature of the melt.
  • this temperature can be between 550°C and 850°C, in particular between 700°C and 750°C.
  • the liquidus temperature is 594°C and the solidus temperature is 561°C.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a casting device 1.
  • the casting device 1 is designed as a low-pressure die casting device or as a counter-pressure die casting device.
  • the casting device 1 can comprise a furnace 2, in which a receiving space 3 for receiving melt 4 can be formed.
  • a crucible 5 is arranged in the furnace 2, in which the melt 4 is received.
  • the crucible 5 can be made of a ceramic material that has a high temperature resistance.
  • the furnace 2 can serve, in particular, to keep the melt 4 at a high temperature level so that it remains in the molten state.
  • a mold clamping plate 6 can be formed, which defines the upper edge of the furnace 2.
  • the mold clamping plate 6 can be formed either as a separate component or as an integral component of the furnace 2.
  • a casting mold 7 can be arranged above the mold clamping plate 6, which has a lower casting mold part 8 and an upper casting mold part 9.
  • the two casting mold parts 8, 9 form a mold cavity 10, which serves to receive the melt 4 and to shape the cast workpiece.
  • the casting mold 7 can, for example, be designed in the form of a chill mold, which is suitable for casting several workpieces.
  • the casting mold 7 is designed as a lost casting mold, such as from a sand material, and thus only serves to cast a single workpiece.
  • a flow connection element 11 is formed, which serves to guide the melt 4 from the crucible 5 into the mold cavity 10.
  • the flow connection element 11 is designed as a riser pipe 12, which projects into the receiving space 3 of the furnace 2 and penetrates the mold clamping plate 6.
  • the lower mold part 8 can be directly connected to the riser pipe 12 and have a gate 13 into which the riser pipe 12 opens.
  • a support structure 14 is shown in a highly simplified manner, which can be coupled to the upper mold part 9 and can serve to move the upper mold part 9 relative to the lower mold part 8.
  • the furnace 2 may further comprise a compressed air supply opening 15 through which compressed air can be introduced into the receiving chamber 3 of the furnace 2.
  • compressed air By applying compressed air to the receiving chamber 3 of the furnace 2, the melt 4 in the riser pipe 12 is pressed into the mold cavity 10.
  • a magnetic element 16 is formed, which in the present embodiment is arranged in the region of the flow connection element 11.
  • the magnetic element 16 can in the present embodiment comprise an electromagnet 17, which has a coil 18.
  • the coil 18 is designed in this embodiment such that the flow cross section of the flow connection element 11 is enclosed in a ring-shaped manner by the coil 18.
  • the coil 18 can be arranged within the furnace 2 and surrounds the riser pipe 12, subjecting it to a magnetic field.
  • the coil 18 can also be integrated into the riser pipe 12.
  • a permanent magnet can also be provided instead of the coil 18.
  • the magnetic element 16 in the region of the magnetic element 16, on an inner circumferential surface 19 of the riser pipe 12, can comprise a first electrode 20 and a second electrode 21, which are designed to apply current to the melt 4 being transported in the riser pipe 12.
  • a Lorentz force 22 can be exerted on the melt 4 guided in the flow connection element 11.
  • the Lorentz force 22 can act in a conveying direction 23 or also act against the conveying direction 23.
  • a first melt contact surface 24 of the first electrode 20 and a second melt contact surface 25 of the second electrode 21 can be integrated into the inner surface 19 of the flow connection element 11 or the gate 13.
  • the electrodes 20, 21 can be flush with the inner surface 19 of the flow connection element 11 or the gate 13.
  • the Lorenz force 22 acts as a conveying support for conveying the melt 4 from the crucible 5 into the mold cavity 10.
  • the Lorenz force 22 serves to brake the melt 4 conveyed in the flow connection element 11.
  • the casting device 1 is designed as another type of casting device 1 which has a flow connection element 11.
  • the magnetic element 16 is arranged between the mold clamping plate 6 and the casting mold 7.
  • Fig. 2 shows a further embodiment of a low-pressure die casting device or counter-pressure die casting device
  • Fig. 2 a further and possibly independent embodiment of the low-pressure die casting device or counter-pressure die casting device is shown, wherein again the same reference numerals or component designations are used for the same parts as in the previous Fig. 1 To avoid unnecessary repetition, please refer to the detailed description in the previous Fig. 1 pointed out or referred to.
  • the magnetic element 16 is integrated into the mold clamping plate 6 and surrounds the flow connection element 11 in this area.
  • Fig. 3 the further embodiment of the casting device 1, in particular in the area of the magnetic element 16, in a schematic cross-sectional view cut through the flow connection element 11 at the level of the electrodes 20, 21.
  • Fig. 4 is the further embodiment of the casting device 1, in particular in the area of the magnetic element 16, in a sectional view according to the section line IV - IV according to Fig. 3 shown.
  • the first electrode 20 has a first melt contact surface 24 and the second electrode 21 has a second Melt contact surface 25.
  • the two melt contact surfaces 24, 25, together with the inner surface 19, can delimit the flow channel of the flow connection element 11 when the electrodes 20, 21 are installed.
  • a first recess 26 is formed in the flow connection element 11, into which the first electrode 20 is inserted. Furthermore, it can be provided that a second recess 27 is formed in the flow connection element 11, into which the second electrode 21 is inserted. The recesses 26, 27 can penetrate the flow connection element 11.
  • a first positioning element 28 can be formed on the first electrode 20, which in the present embodiment is designed, for example, as a shoulder which can be brought into contact with a first contact surface 29 of the flow connection element 11.
  • a second positioning element 30 can be formed on the second electrode 21, which in the present embodiment is designed, for example, as a shoulder which can be brought into contact with a second contact surface 31 of the flow connection element 11.
  • the first electrode 20 is coupled to a first pole 33 of a power source by means of a first clamping contact 32.
  • the second electrode 21 is coupled to a second pole 35 of the power source by means of a second clamping contact 34.
  • a first pressing element 36 can be formed, by means of which the first electrode 20 is held in its position in the first recess 26.
  • a second pressing element 37 can be provided, by means of which the second electrode 21 can be held in its position in the second recess 27.
  • one or more heating elements 38 are arranged on the first electrode 20. Furthermore, it can be provided that one or more heating elements 39 are arranged on the second electrode 21. The heating elements 38, 39 can each be arranged on side surfaces of the electrodes 20, 21.
  • a first coil 18 is arranged on a first side of the flow connection element 11 and that a second coil 40 is formed on a second side of the flow connection element 11.
  • a magnetic yoke can be formed, for example in the form of a C-shaped iron core or a magnetic core 41, which can have a first open end 42 and a second open end 43.
  • the magnetic core 41 can be arranged such that the flow connection element 11 is arranged between the first open end 42 and the second open end 43 of the magnetic core 41.
  • the first coil 18 can surround the iron core 41 in the region of the first open end 42.
  • the second coil 40 can surround the magnetic core 41 in the region of the second open end 43.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of the casting device 1.
  • a plurality of flow connection elements 11 are formed, which can be arranged evenly distributed around a center. In the present exemplary embodiment, these are, for example, four flow connection elements 11.
  • Individual magnetic core segments 45 can be arranged between the flow connection elements 11.
  • Each of the magnetic core segments 45 faces a first of the flow connection elements 11 at a first longitudinal end 46 and faces a second of the flow connection elements 11 at a second longitudinal end 47.
  • the first longitudinal end 46 of the magnetic core segment 45 is surrounded by a first of the individual coils 44, and the second longitudinal end 47 of the magnetic core segment 45 is surrounded by a second of the individual coils 44.
  • four magnetic core segments 45 are arranged between the four flow connection elements 11, with two of the individual coils 44 being formed for each magnetic core segment 45.
  • these can also be, for example, two, three, five, six, seven, eight or even more flow connection elements 11.
  • the individual coils 44 are coupled to a common power source. In an alternative embodiment, it is also conceivable that the individual coils 44 are each coupled to their own power source and can thus be switched independently of one another.
  • the individual electrodes 20, 21 are coupled to a common power source.
  • the individual electrodes 20, 21 are each coupled to their own power source and can thus be switched independently of one another.
  • the first electrode 20 has a first region 48. Furthermore, it can be provided that the second electrode 21 has a first region 49. Furthermore, it can be provided that the first electrode 20 has a second region 50. Furthermore, it can be provided that the second electrode 21 has a second region 51.
  • the first region 48, 49 and the second region 50, 51 can each be loosely adjacent to one another. Furthermore, it is also conceivable for the first region 48, 49 and the second region 50, 51 to be coupled to one another by means of a joint.
  • the heating elements 38, 39 are arranged in the second area 50, 51.
  • bores are arranged in the second region 50, 51 and that the heating elements 38, 39 are arranged in the bores.
  • Fig. 8 shows a diagram of a time course of a filling process for filling a mold cavity of a casting mold with melt.
  • Fig. 8 Different time profiles of various filling curves with different pressure increases in the flow connection element 11, particularly in the riser pipe 12, are shown.
  • the filling time is plotted on the abscissa.
  • the flow velocity of the melt in the riser pipe 12 is plotted on the ordinate.
  • a first filling curve 52 shows the time course of the flow velocity of the melt in the riser pipe 12 at a pressure increase of 34 mbar/s and when the magnetic field is activated after a certain time.
  • a second filling curve 53 shows the time course of the flow velocity of the melt in the riser pipe 12 at a pressure increase of 24 mbar/s and when the magnetic field is activated after a certain time.
  • a third filling curve 54 shows the temporal progression of the flow velocity of the melt in the riser tube 12 at a pressure increase of 15.7 mbar/s and without activation of the magnetic field during the casting process.
  • This third filling curve 54 represents conventional casting processes as known from the prior art.
  • All three filling curves 52, 53, 54 refer to three identical castings cast in the same casting device.
  • the drop in flow velocity at the end of the filling curve 52, 53, 54 represents the end of the filling period of the casting process.
  • a shortened filling time can be achieved with an increased pressure increase, as shown by the first filling curve 52.
  • an increased pressure increase and activation of the magnetic field as shown by the first filling curve 52, an improved cast workpiece can be achieved compared to the casting process known from the prior art according to the third filling curve 54, which has fewer air inclusions.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung zum Gießen einer Schmelze, sowie ein Verfahren zum Gießen einer Schmelze.
  • Aus der EP1097013B1 und der WO2019 204845 A1 sind elektromagnetische Pumpen zum Fördern einer Schmelze zwischen einem Schmelzofen und einer Gussform bekannt.
  • Der Aufbau der EP1097013B1 weist den Nachteil auf, dass besonders bei paramagnetischen Werkstoffen, wie etwa Aluminium die Elektromagnetische Pumpe eine schlechte Wirksamkeit aufweist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels derer auch paramagnetische Werkstoffe befördert werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 bzw. 12 gelöst. Weitere Ausführungen sind in den entsprechenden abhängigen Ansprüchen 2-11 bzw. 13-18 beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Gießvorrichtung bringt den Vorteil mit sich, dass damit die Qualität des Gießprozesses verbessert werden kann.
  • Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn das Magnetelement als Elektromagnet ausgebildet ist. Ein Elektromagnet bringt den Vorteil mit sich, dass das Magnetfeld selektiv aufbringbar ist.
  • Es ist vorgesehen, dass im Bereich der ersten Elektrode zumindest ein erstes Heizelement angeordnet ist und im Bereich der zweiten Elektrode zumindest ein zweites Heizelement angeordnet ist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass ein übermäßiges Auskühlen der Schmelze im Bereich der Elektroden durch die Heizelemente hintangehalten werden kann, wodurch ein Erstarren und/oder Abkühlen der Schmelze im Bereich der Elektroden unterbunden werden kann. Dies kann insbesondere dann notwendig sein, wenn für die Elektroden ein Werkstoff verwendet wird, welcher eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Besonders bei einer derartigen Konfiguration wird Wärme schnell von der Schmelze abgeleitet, wodurch die Gefahr des lokalen Erstarrens und/oder Abkühlens der Schmelze im Bereich der Elektroden besteht.
  • Weiters kann die Schmelze zwischen einzelnen Gießvorgängen, insbesondere während der Entnahme eines Gusswerkstückes, auf einem gewissen Schmelzeniveau im Steigrohr gehalten werden kann, ohne dass dabei die Schmelze im Steigrohr strömt. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann erreicht werden, dass die Schmelze hierbei nicht im Bereich der Elektroden erstarrt.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass das erste Heizelement und das zweite Heizelement jeweils in Form eines Widerstandheizelementes, insbesondere mit einem keramischen Heizleiter, ausgebildet sind. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass ein derart ausgebildetes Heizelement bei Bedarf einfach beheizt werden kann, und darüber hinaus eine ausreichend hohe Temperatur zum Beheizen der Elektroden erreicht werden kann. Insbesondere Widerstandsheizelemente mit einem keramischen Heizleiter können schnell auf eine hohe Temperatur aufgeheizt werden.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass zwei der ersten Heizelemente an gegenüberliegenden Seiten des Querschnittes der ersten Elektrode angeordnet sind. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Elektrode über ihren Querschnitt gleichmäßig und/oder schneller aufgeheizt werden kann.
  • Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die erste Elektrode einen rechteckigen Querschnitt aufweist und dass zwei der ersten Heizelemente an gegenüberliegenden Seiten des Querschnittes der ersten Elektrode angeordnet sind. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Elektrode über ihren Querschnitt gleichmäßig aufgeheizt werden kann.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass die Heizelemente derart dimensioniert sind, dass bei Ausfall eines der beiden Heizelemente das zweite der Heizelemente noch eine ausreichende Wärmeenergie zum Halten der benötigten Temperatur aufbringen kann.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass von einer Maschinensteuerung ein Ausfall eines der Heizelemente detektiert wird und dass automatisiert das oder die verbleibenden Heizelemente über den Normalbetrieb hinaus beheizt werden, um den Ausfall eines der Heizelemente zu kompensieren. Der Ausfall eines der Heizelemente kann beispielsweise durch die fehlende Stromaufnahme detektiert werden.
  • Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass an allen vier Seiten des rechteckigen Querschnittes der ersten Elektrode jeweils eines der ersten Heizelemente angeordnet ist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Elektrode über ihren Querschnitt gleichmäßig aufgeheizt werden kann.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass die Elektroden in einem ersten Bereich der Schmelzekontaktflächen einen Graphitwerkstoff aufweisen. Ein Graphitwerkstoff weist den Vorteil auf, dass er bei Kontaktierung durch eine Aluminiumschmelze nicht oxidiert. Darüber hinaus ist ein Graphitwerkstoff ein elektrisch guter Leiter. Darüber hinaus weist ein Graphitwerkstoff eine hohe Temperaturbeständigkeit auf.
  • In einer alternativen Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Elektroden in einem ersten Bereich der Schmelzekontaktflächen einen elektrisch leitfähigen Keramikwerkstoff aufweisen. Ein derartiger Keramikwerkstoff bringt den Vorteil mit sich, dass er sich überraschend gut im vorgesehenen Anwendungsfall zur Kontaktierung der Schmelze eignet. Insbesondere weist der Keramikwerkstoff einen hohen Widerstand gegen Verformung, gegen Verschleiß oder chemische Korrosion auf. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Keramik als Sinterbauteil hergestellt wird.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Elektroden in einem ersten Bereich der Schmelzekontaktflächen einen Werkstoff aus Zirconiumcarbid aufweisen. Zirconiumcarbid ist eine Verbindung mit hoher chemischer Variabilität beim Zr-C Verhältnis. Zirconiumcarbid existiert in einem Zusammensetzungsbereich von ZrC1,0 bis ca. ZrC0,6. Die elektrischen Eigenschaften bleiben trotzdem weitgehend stabil. Zirconiumcarbid zeichnet sich gegenüber anderen Werkstoffen dadurch aus, dass es bis zu extrem hohen Temperaturen von 2500 °C thermisch, chemisch und mechanisch stabil ist.
  • Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn die Elektroden in einem von den Schmelzekontaktflächen abgewandten zweiten Bereich einen austenitischen Werkstoff aufweisen. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass ein Austenitischer Werkstoff bei ausreichender Temperaturbeständigkeit eine gute elektrische Leiteigenschaft aufweist. Dies bringt den weiteren Vorteil mit sich, dass das magnetische Feld durch einen austenitischen Werkstoff am wenigsten beeinflusst wird. Ferritische Werkstoffe würden das magnetische Feld ablenken.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass die Heizelemente jeweils im zweiten Bereich der Elektroden angeordnet sind.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass im zweiten Bereich der ersten Elektrode Bohrungen ausgebildet sind, in welchen stabförmige erste Heizelemente angeordnet sind. Der Einsatz von stabförmigen, in die Bohrungen eingesetzten Heizelementen bringt den Vorteil mit sich, dass die Elektrode gleichmäßig und von innen heraus erwärmt werden kann. Insbesondere kann durch den Einsatz der stabförmigen Heizelemente im zweiten Bereich der ersten Elektrode eine gute Wärmeeinleitung in die Elektrode erreicht werden.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass im zweiten Bereich der zweiten Elektrode Bohrungen ausgebildet sind, in welchen stabförmige erste Heizelemente angeordnet sind.
  • In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Bohrungen für die stabförmigen Heizelemente ausgehend von der Trennfläche zwischen dem ersten Bereich der Elektrode und dem zweiten Bereich der Elektrode in den zweiten Bereich der Elektrode eingebracht sind.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass die Heizelemente in Form von Flachheizern ausgebildet sind, welche einen rechteckigen Querschnitt aufweisen können.
  • Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Magnetelement eine erste Spule und eine zweite Spule umfasst, welche an zwei diametral gegenüberliegenden Seiten des Querschnittes des Strömungsverbindungselementes angeordnet sind. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass durch eine derartige Anordnung ein hohes Magnetfeld auf das Strömungsverbindungselement aufgebracht werden kann.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass das Magnetelement einen magnetischen Kern, insbesondere einen Eisenkern umfasst, welcher C-förmig ausgebildet ist und derart im Bereich des Strömungsverbindungselementes angeordnet ist, dass das Strömungsverbindungselement zwischen einem ersten offenen Ende des magnetischen Kerns und einem zweiten offenen Ende des magnetischen Kerns angeordnet ist, wobei die erste Spule das erste offene Ende des magnetischen Kerns umgibt und die zweite Spule das zweite offene Ende des magnetischen Kerns umgibt. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass durch den magnetischen Kern die magnetische Wirksamkeit der Spulen verstärkt werden kann.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass mehrere der Strömungsverbindungselemente ausgebildet sind, welche gleichmäßig verteilt um ein Zentrum angeordnet sind, wobei zwischen den Strömungsverbindungselementen einzelne magnetische Kernsegmente angeordnet sind, wobei ein magnetisches Kernsegment jeweils an einem ersten Längsende einem ersten der Strömungsverbindungselemente zugewandt ist und an einem zweiten Längsende einem zweiten der Strömungsverbindungselemente zugewandt ist, wobei das erste Längsende des magnetischen Kernsegmentes von einer ersten der Einzelspulen umgeben ist und das zweite Längsende des magnetischen Kernsegmentes von einer zweiten der Einzelspulen umgeben ist. Diese Anordnung der magnetischen Kernsegmente kann um den Umfang verteilt gleich ausgebildet sein. Bei einem derartigen Aufbau ist es denkbar, dass zwei Strömungsverbindungselemente, drei Strömungsverbindungselemente, vier Strömungsverbindungselemente, fünf Strömungsverbindungselemente oder eine höhere Anzahl an Strömungsverbindungselementen gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnet sind.
  • In einer ersten Ausführungsvariante ist es denkbar, dass die Einzelspulen alle gemeinsam mit Strom beaufschlagt werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen.
  • In einer weiteren Ausführungsvariante ist es auch denkbar, dass die Einzelspulen selektiv und unabhängig voneinander mit Strom beaufschlagt werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass das Magnetfeld unterschiedlich stark über den Luftspalt ausgebildet sein kann.
  • Gemäß einer besonderen Ausprägung ist es möglich, dass das Magnetelement mehrere Einzelspulen umfasst, welche gleichmäßig verteilt um den Querschnitt des Strömungsverbindungselementes angeordnet sind, wobei zwischen den Einzelspulen magnetische Kernsegmente angeordnet sind, wobei ein magnetisches Kernsegment jeweils an einem ersten Längsende von einer ersten der Einzelspulen umgeben ist und an einem zweiten Längsende von einer zweiten der Einzelspulen umgeben ist. Eine derartige Konfiguration bringt den Vorteil mit sich, dass eine erhöhte Wirkung des Magnetfeldes erreicht werden kann.
  • Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass im Bereich der Spulen eine Kühlvorrichtung ausgebildet ist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass durch diese Maßnahme eine Überhitzung der Spulen unterbunden werden kann.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass die Elektroden wechselbar sind.
  • Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass im Strömungsverbindungselement eine erste Ausnehmung ausgebildet ist, welche zur Aufnahme der ersten Elektrode dient. Weiters kann eine zweite Ausnehmung ausgebildet sein, welche zur Aufnahme der zweiten Elektrode dient.
  • Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die erste Elektrode mit der ersten Ausnehmung eine Spielpassung bildet, sodass die erste Elektrode im in die erste Ausnehmung eingesetzten Zustand die erste Ausnehmung verschließt.
  • Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die zweite Elektrode mit der zweiten Ausnehmung eine Spielpassung bildet, sodass die zweite Elektrode im in die zweite Ausnehmung eingesetzten Zustand die zweite Ausnehmung verschließt.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass an der ersten Elektrode ein erstes Positionierungselement ausgebildet ist, welches zur formschlüssigen Positionierung der ersten Elektrode im Strömungsverbindungselement dient. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das erste Positionierungselement zur axialen Positionierung und somit zur Bestimmung der Lage der ersten Schmelzekontaktfläche dient.
  • In einer ersten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass das erste Positionierungselement in Form eines Absatzes ausgebildet ist, wobei die erste Elektrode so weit in das Strömungsverbindungselement eingeschoben wird, bis der Absatz an einer Anlagefläche des Strömungsverbindungselementes zum Anliegen kommt. Weiters kann vorgesehen sein, dass die erste Elektrode mittels eines ersten Andrückelementes in das Strömungsverbindungselement eingedrückt wird, sodass der Absatz an die Anlagefläche des Strömungsverbindungselementes gepresst wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das erste Andrückelement in Form eines Federelementes ausgebildet ist.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass an der Anlagefläche oder am Absatz ein Dichtungselement angeordnet ist oder ein Dichtungselement zwischen der Anlagefläche und dem Absatz angeordnet ist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass eine verbesserte Abdichtung zwischen der ersten Elektrode und dem Strömungsverbindungselement erreicht werden kann.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass an der zweiten Elektrode ein zweites Positionierungselement ausgebildet ist, welches zur formschlüssigen Positionierung der zweiten Elektrode im Strömungsverbindungselement dient. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das zweite Positionierungselement zur axialen Positionierung und somit zur Bestimmung der Lage der ersten Schmelzekontaktfläche dient.
  • In einer ersten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass das zweite Positionierungselement in Form eines Absatzes ausgebildet ist, wobei die zweite Elektrode so weit in das Strömungsverbindungselement eingeschoben wird, bis der Absatz an einer Anlagefläche des Strömungsverbindungselementes zum Anliegen kommt. Weiters kann vorgesehen sein, dass die zweite Elektrode mittels eines zweiten Andrückelementes in das Strömungsverbindungselement eingedrückt wird, sodass der Absatz an die Anlagefläche des Strömungsverbindungselementes gepresst wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das zweite Andrückelement in Form eines Federelementes ausgebildet ist.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass an der Anlagefläche oder am Absatz ein Dichtungselement angeordnet ist oder ein Dichtungselement zwischen der Anlagefläche und dem Absatz angeordnet ist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass eine verbesserte Abdichtung zwischen der zweiten Elektrode und dem Strömungsverbindungselement erreicht werden kann.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass die erste Schmelzekontaktfläche und die zweite Schmelzekontaktfläche eine Oberfläche in Form eines Zylindersegmentes aufweisen und im verbauten Zustand der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode die Innenmantelfläche des Strömungsverbindungselementes fortsetzen.
  • In einer alternativen Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass der Querschnitt des Strömungsverbindungselementes zumindest abschnittsweise rechteckig ist und dass die beiden Schmelzekontaktflächen einander gegenüberliegend und parallel zueinander angeordnet sind. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass der Kurzschlussstrom gleichmäßig über die Erstreckung der Schmelzekontaktflächen zwischen diesen fließen kann. Dadurch kann ein gleichmäßigeres Magnetfeld in der Schmelze erzeugt werden.
  • Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die Elektroden jeweils mittels lösbarer Klemmkontakte mit Stromquellen gekoppelt sind. Dadurch können die einzelnen Elektroden bei Bedarf einfach und unkompliziert gewechselt werden.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Gießen einer Schmelze eines metallischen Werkstoffs gemäss dem unabhängigen Anspruch 12.
  • Die Schmelze des metallischen Werkstoffes wird mittels einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche den metallischen Werkstoff mittels Schmelzekontaktflächen kontaktieren, mit Strom beaufschlagt. Gleichzeitig wirkt ein Magnetfeld auf den mit Strom beaufschlagten Bereich der Schmelze ein, wobei die Elektroden bei Bedarf mittels Heizelementen beheizt werden.
  • Dies bringt den Vorteil mit sich, dass ein übermäßiges Auskühlen der Schmelze im Bereich der Elektroden durch die Heizelemente hintangehalten werden kann, wodurch ein Erstarren der Schmelze im Bereich der Elektroden unterbunden werden kann. Dies kann insbesondere dann notwendig sein, wenn für die Elektroden ein Werkstoff verwendet wird, welcher eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Besonders bei einer derartigen Konfiguration wird Wärme schnell von der Schmelze abgeleitet, wodurch die Gefahr des lokalen Erstarrens der Schmelze im Bereich der Elektroden besteht.
  • Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Elektroden dann beheizt werden, wenn der Schmelzefluss im Strömungsverbindungselement gestoppt wird. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass durch diese Maßnahme ein lokales Erstarren der Schmelze im Bereich der Elektroden unterbunden werden kann.
  • Weiters ist es denkbar, dass die Elektroden bei einem ausreichend hohen und konstanten Schmelzefluss im Strömungsverbindungselement nicht beheizt werden.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass zum Gießen der Schmelze eine Gießvorrichtung verwendet wird, welche als Niederdruckgießvorrichtung oder als Gegendruckgießvorrichtung ausgebildet ist, wobei die Gießvorrichtung einen Ofen umfasst, in dem ein Aufnahmeraum zur Aufnahme von Schmelze ausgebildet ist, wobei der Aufnahmeraum mittels des Strömungsverbindungselementes mit einer Gussform gekoppelt ist, wobei
    • beim Start des Gießvorganges der Druck im Aufnahmeraum erhöht wird, um die Schmelze durch das Strömungsverbindungselement in die Gussform zu drücken, wobei
    • erst bei Erreichen einer vordefinierten Schmelzemenge, welche durch das Strömungsverbindungselement geströmt ist, im Strömungsverbindungselement die Schmelze mit Strom beaufschlagt wird und gleichzeitig das Magnetfeld aktiviert wird, welches auf den mit Strom beaufschlagten Bereich der Schmelze einwirkt, um die Schmelze im Strömungsverbindungselement zu bremsen.
  • Dies bringt den Vorteil mit sich, dass der Gießvorgang mit einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden kann und dadurch eine kurze Taktzeit erreicht werden kann. Gleichzeitig kann durch diese Maßnahme ein qualitativ hochwertiges Gusswerkstück erreicht werden, welches im Vergleich zu bekannten Gusswerkstücken wenige Lunker bzw. Lufteinschlüsse aufweisen kann. Insbesondere durch das Bremsen der Schmelze mittels des Magnetfeldes kann eine Beruhigung der Schmelze beim Gießen erreicht werden, um ein verbessertes Gusswerkstück erzeugen zu können. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass ein verbessertes Gussergebnis dann erreicht werden kann, wenn nicht das Magnetfeld bzw. die Strombeaufschlagung der Schmelze von Beginn des Gießvorganges an aktiviert sind, sondern erst zu einem gewissen Zeitpunkt während des Gießvorganges aktiviert werden.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass der Druck im Aufnahmeraum derart erhöht wird, dass an einem Einlauf der Gussform ein konstanter Druckanstieg, insbesondere ein Druckanstieg zwischen 16mbar/s und 45mbar/s, bevorzugt zwischen 23mbar/s und 35mbar/s erfolgt. Besonders bei einem derartigen Verlauf des Druckanstieges kann ein überraschend gutes Gießergebnis erreicht werden. Als konstanter Druckanstieg ist auch eine Abweichung von bis zu 3mbar/s von einem linearen Druckanstieg zu sehen.
  • Insbesondere können die im obigen Absatz angegeben Werte einen Druckanstieg des Differenzdruckes zwischen dem Aufnahmeraum und dem Formhohlraum betreffen. Wenn beispielsweise bei einem Gegendruckgießverfahren der Gegendruck im Formhohlraum vergrößert oder verkleinert wird, kann dies entsprechend berücksichtigt werden, um einen konstanten Druckanstieg erreichen zu können.
  • Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, wenn im Strömungsverbindungselement die Schmelze mit Strom beaufschlagt wird und das Magnetfeld aktiviert wird, welches auf den mit Strom beaufschlagten Bereich der Schmelze einwirkt, um die Schmelze im Strömungsverbindungselement zu bremsen, wenn ein Schmelzespiegel der Schmelze von einem Anschnitt in einen Formhohlraum einströmt. Dies bringt ein überraschend gutes Gießergebnis mit wenigen Lunkern im Einlaufbereich mit sich. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Schmelze mit Strom beaufschlagt wird und gleichzeitig das Magnetfeld aktiviert wird.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass in einem computerimplementierten Simulationsmodell berechnet wird, bei welchem Druckanstieg und bei welchen Aktivierzeiten und Aktivierintensitäten des Magnetfeldes und bei welchen Aktivierzeiten und Aktivierintensitäten der Strombeaufschlagung der Schmelze ein Gießvorgang mit möglichst wenigen Lunkern im Gusswerkstück erreicht werden kann. Weiters kann im computerimplementierten Simulationsmodell eine Druckkurve der Druckbeaufschlagung im Schmelzeaufnahmeraum berücksichtigt werden. Weiters kann das Simulationsmodell auf den Bereich des Eintrittes in die Gussform beschränkt sein, wobei die Strömungsgeschwindigkeiten am Eintritt des Strömungsverbindungselementes nicht berücksichtigt sein können. Dieses Berechnungsergebnis kann zum Festlegen der Aktivierzeiten und Aktivierintensitäten des Magnetfeldes und Aktivierzeiten und Aktivierintensitäten der Strombeaufschlagung der Schmelze, sowie zur Festlegung der Druckkurve der Druckbeaufschlagung im Schmelzeaufnahmeraum herangezogen werden. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass für unterschiedliche Gusswerkstücke der ideale Gießvorgang berechnet werden kann. Durch die Berechnung in einem computerimplementierten Simulationsmodell kann ein überraschend gutes Ergebnis des Gusswerkstückes erreicht werden, da im Vergleich zu einem versuchsbasierten Vorgehen eine große Anzahl an unterschiedlichen Parametern berücksichtigt werden kann und die Zeit zum Erhalt von unterschiedlichen Ergebnisse wesentlich verkürzt werden kann.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das computerimplementierte Simulationsmodell unter Anwendung eines künstlichen neuronalen Netzwerkes die Berechnungen durchführt.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass ein digitaler Zwilling der Gießvorrichtung erstellt wird und dass das computerimplementierte Simulationsmodell während des Gießvorganges angepasst wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Schmelzeeigenschaften, wie eine Schmelzetemperatur, gemessen wird und die Parameter des Gießprozesses, wie etwa die zeitliche Druckanstiegskurve und/oder der zeitliche Verlauf und die Intensität der Erzeugung des Magnetfeldes und/oder der zeitliche Verlauf und die Intensität der Strombeaufschlagung der Schmelze in Abhängigkeit von den Schmelzeeigenschaften angepasst wird.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass mittels der Maschinensteuerung eine Änderung der an den Spulen anliegenden Strom oder Spannung oder auch eine Änderung der an den Elektroden anliegenden Strom oder Spannung detektiert wird und mittels der Maschinensteuerung die Ströme und Spannungen entsprechend angepasst werden können. Diese Anpassung kann auf Basis von hinterlegten Anpassungstabellen erfolgen. Alternativ dazu kann die Anpassung durch Einsatz eines neuronalen Netzwerkes erfolgen.
  • Darüber hinaus kann durch die gemessenen Ströme und Spannungen auf das Vorliegen von Fehlern rückgeschlossen werden. Insbesondere können die erfassten Ströme und Spannungen, sowie sonstige Sensorwerte in einer Simulation des Gießprozesses berücksichtigt werden. Somit kann auf die Qualität des Gusswerkstückes rückgeschlossen werden. Bei einer Erwartung eines Qualitätsmangels kann eine Qualitätsprüfung des Gusswerkstückes empfohlen werden.
  • Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass ein Heizvorgang zum Beheizen der Elektroden mit einer Vorlaufzeit vor dem Stoppen des Schmelzeflusses oder vor dem Unterschreiten einer minimalen Durchflussgeschwindigkeit gestartet wird, wobei die Vorlaufzeit zwischen 1 Sekunde und 600 Sekunden, insbesondere zwischen 5 Sekunden und 120 Sekunden, bevorzugt zwischen 10 Sekunden und 60 Sekunden beträgt. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass zum Zeitpunkt des Stoppes des Schmelzeflusses bzw. zum Zeitpunkt des Unterschreitens der minimalen Durchflussgeschwindigkeit die Elektroden bereits ausreichend aufgeheizt sein können, um ein lokales Erstarren der Schmelze im Bereich der Elektroden zu verhindern.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass im Strömungsverbindungselement die Schmelze mit Strom beaufschlagt wird und das Magnetfeld aktiviert wird, welches auf den mit Strom beaufschlagten Bereich der Schmelze einwirkt, um die Schmelze im Strömungsverbindungselement zu bremsen, noch bevor ein Schmelzespiegel der Schmelze von einem Anschnitt in einen Formhohlraum einströmt und dass währenddessen der Druck im Aufnahmeraum erhöht wird und dass zu einem vorgegebenen Zeitpunkt das Magnetfeld deaktiviert wird. Dadurch kann erreicht werden, dass im Aufnahmeraum ein erhöhter Druck aufgebaut wird, ohne dass dabei Schmelze in den Formhohlraum einströmt. Anschließend kann die Schmelze mit erhöhter Geschwindigkeit in den Formhohlraum einströmen gelassen werden. Dies bringt eine Verkürzung der Taktzeit mit sich.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Druck im Aufnahmeraum entsprechend dem obigen Absatz erhöht wird, während ein bereits gegossenes Gusswerkstück aus dem Formhohlraum entnommen wird. Anschließend kann das Magnetfeld zumindest zeitweise deaktiviert werden, wenn der Formhohlraum wieder geschlossen wird.
  • In einer alternativen Ausführungsvariante ist es auch denkbar, dass mit dem Aufnahmeraum, insbesondere in einem Druckluftzuführstrang vor der Druckluftzufuhröffnung ein Windkessel gekoppelt ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Windkessel zum Zwischenspeichern von Druckluft dient, um den Druck im Aufnahmeraum mit erhöhter Geschwindigkeit erhöhen zu können. Dadurch kann die Schmelze mit erhöhter Geschwindigkeit in den Formhohlraum einströmen gelassen werden. Dies bringt eine Verkürzung der Taktzeit mit sich.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass eine Regelung ausbildet ist, welche derart ausgebildet ist, dass die Elektroden dauerhaft auf eine Temperatur beheizt werden, welche höher ist als die Solidustemperatur der Schmelze. Diese Temperatur kann beispielsweise für Aluminium zwischen 550°Celsius und 850°Celsius, insbesondere zwischen 700°Celsius und 750°Celsius betragen. Beispielsweise für AlSi10Mg liegt die Liquidustemperatur bei 594°Celsius und die Solidustemperatur bei 561°Celsius.
  • Vorteilhaft ist es darüber hinaus, die Heizregelung der Elektroden in Abhängigkeit der Erstarrungszeit des zu gießenden Bauteils und der Erstarrungstemperatur der Schmelze auszulegen, so dass die Temperatur der Schmelze, die sich während der Erstarrung des Bauteils im Bereich der Elektroden befindet nicht oder teilweise nicht unter die Erstarrungstemperatur der Schmelze abfällt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass bei einem nächsten Gießzyklus beziehungsweise beim nächsten Bauteil kein Bereich der Schmelze teilweise erstarrt. Weiters kann gewährleistet werden, dass die beim Füllen der Kavität transportierte Schmelze im Bereich der Elektroden weniger abkühlt.
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:
    • Fig. 1
    ein erstes Ausführungsbeispiel einer Gießvorrichtung in Form einer Niederdruck-Kokillengießvorrichtung oder Gegendruck-Kokillengießvorrichtung;
    Fig. 2
    ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Gießvorrichtung in Form einer Niederdruck-Kokillengießvorrichtung oder Gegendruck-Kokillengießvorrichtung;
    Fig. 3
    eine schematische Querschnittansicht des Strömungsverbindungselementes;
    Fig. 4
    eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie IV-IV aus Fig. 3;
    Fig. 5
    eine schematische Querschnittansicht des Strömungsverbindungselementes eines weiteren Ausführungsbeispiels der Gießvorrichtung;
    Fig. 6
    eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Gießvorrichtung gemäß der Schnittlinie IV-IV aus Fig. 3;
    Fig. 7
    eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Gießvorrichtung gemäß der Schnittlinie IV-IV aus Fig. 3;
    Fig. 8
    ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufes eines Füllvorganges eines Formhohlraumes einer Gussform.
  • Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Gießvorrichtung 1. Die Gießvorrichtung 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Niederdruck-Kokillengießvorrichtung oder als Gegendruck-Kokillengießvorrichtung ausgebildet.
  • Die Gießvorrichtung 1 kann einen Ofen 2 umfassen, in dem ein Aufnahmeraum 3 zur Aufnahme von Schmelze 4 ausgebildet sein kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass im Ofen 2 ein Tiegel 5 angeordnet ist, in welchem die Schmelze 4 aufgenommen wird. Der Tiegel 5 kann aus einem keramischen Werkstoff gebildet sein, welcher eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist. Der Ofen 2 kann insbesondere dazu dienen, um die Schmelze 4 auf einem hohen Temperaturniveau zu halten, sodass sie im geschmolzenen Zustand verbleibt.
  • Weiters kann eine Formaufspannplatte 6 ausgebildet sein, welche den Ofen 2 nach oben hin begrenzt. Die Formaufspannplatte 6 kann entweder als eigener Bauteil oder als integraler Bauteil des Ofens 2 ausgebildet sein. Oberhalb der Formaufspannplatte 6 kann eine Gussform 7 angeordnet sein, welche einen unteren Gussformteil 8 und einen oberen Gussformteil 9 aufweist. Die beiden Gussformteile 8, 9 bilden einen Formhohlraum 10 aus, welcher zur Aufnahme der Schmelze 4 und zur Formgebung des Gusswerkstückes dient.
  • Die Gussform 7 kann beispielsweise in Form einer Kokille ausgebildet sein, welche zum Abgießen von mehreren Werkstücken geeignet ist.
  • Alternativ dazu ist es auch denkbar, dass die Gussform 7 als verlorene Gussform ausgebildet ist, wie etwa aus einem Sandmaterial, und somit nur zum Abguss eines einzelnen Werkstückes dient.
  • Weiters ist ein Strömungsverbindungselement 11 ausgebildet, welches zum Leiten der Schmelze 4 vom Tiegel 5 in den Formhohlraum 10 dient. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Strömungsverbindungselement 11 als Steigrohr 12 ausgebildet, welches in den Aufnahmeraum 3 des Ofens 2 hineinragt und die Formaufspannplatte 6 durchdringt. Der untere Gussformteil 8 kann direkt an das Steigrohr 12 anschließen und einen Anschnitt 13 aufweisen, in welchen das Steigrohr 12 mündet. Außerdem ist stark vereinfacht eine Tragkonstruktion 14 dargestellt, die mit dem oberen Gussformteil 9 gekoppelt sein kann und zum Bewegen des oberen Gussformteiles 9 relativ zum unteren Gussformteil 8 dienen kann.
  • Der Ofen 2 kann darüber hinaus eine Druckluftzufuhröffnung 15 aufweisen, durch welche Druckluft in den Aufnahmeraum 3 des Ofens 2 eingebracht werden kann. Durch beaufschlagen des Aufnahmeraums 3 des Ofens 2 mit Druckluft wird die Schmelze 4 im Steigrohr 12 in den Formhohlraum 10 gedrückt.
  • Weiters ist ein Magnetelement 16 ausgebildet, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich des Strömungsverbindungselementes 11 angeordnet ist. Das Magnetelement 16 kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Elektromagnet 17 umfassen, welcher eine Spule 18 aufweist. Die Spule 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, dass der Strömungsquerschnitt des Strömungsverbindungselementes 11 von der Spule 18 ringförmig umschlossen wird. Insbesondere kann hierbei, wie aus Fig. 1 ersichtlich, vorgesehen sein, dass die Spule 18 innerhalb des Ofens 2 angeordnet ist und das Steigrohr 12 umgibt und mit einem Magnetfeld beaufschlagt. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass die Spule 18 in das Steigrohr 12 integriert ist. Natürlich kann anstatt der Spule 18 auch ein Permanentmagnet vorgesehen sein.
  • Aus der Schnittansicht I-I, die einen Querschnitt durch das Strömungsverbindungselement 11 darstellt, ist ersichtlich, dass das Magnetelement 16 im Bereich des Magnetelementes 16 an einer Innenmantelfläche 19 des Steigrohres 12 eine erste Elektrode 20 und eine zweite Elektrode 21 umfassen kann, welche dazu ausgebildet sind, um die Schmelze 4, welche im Steigrohr 12 transportiert wird, mit Strom zu beaufschlagen. Mittels dem Magnetelement 16 kann eine Lorenzkraft 22 auf die im Strömungsverbindungselement 11 geführte Schmelze 4 ausgeübt werden. Die Lorenzkraft 22 kann hierbei in einer Förderrichtung 23 wirken oder aber auch entgegen der Förderrichtung 23 wirken.
  • Eine erste Schmelzekontaktfläche 24 der ersten Elektrode 20 und eine zweite Schmelzekontaktfläche 25 der zweiten Elektrode 21 kann in die Innenmantelfläche 19 des Strömungsverbindungselementes 11 oder des Anschnittes 13 integriert sein. Somit können die Elektroden 20, 21 bündig mit der Innenmantelfläche 19 des Strömungsverbindungselementes 11 oder des Anschnittes 13 abschließen.
  • Insbesondere ist es denkbar, dass die Lorenzkraft 22 als Förderunterstützung zum Fördern der Schmelze 4 vom Tiegel 5 in den Formhohlraum 10 wirkt.
  • Weiters ist es auch denkbar, dass die Lorenzkraft 22 zum Bremsen der im Strömungsverbindungselement 11 geförderten Schmelze 4 dient.
  • In weiteren Ausführungsbeispielen ist es auch denkbar, dass die Gießvorrichtung 1 als andere Art von Gießvorrichtung 1 ausgebildet ist, welche ein Strömungsverbindungselement 11 aufweisen.
  • In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform ist es auch denkbar, dass das Magnetelement 16 zwischen der Formaufspannplatte 6 und der Gussform 7 angeordnet ist.
  • Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Niederdruck-Kokillengießvorrichtung bzw. Gegendruck - Kokillengießvorrichtung
  • In der Fig. 2 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform der Niederdruck-Kokillengießvorrichtung bzw. Gegendruck-Kokillengießvorrichtung gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in der vorangegangenen Fig. 1 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in der vorangegangenen Fig. 1 hingewiesen bzw. Bezug genommen.
  • Wie aus Fig. 2 ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass das Magnetelement 16 in die Formaufspannplatte 6 integriert ist und in diesem Bereich das Strömungsverbindungselement 11 umgibt.
  • In den Figuren 3 und 4 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform der Gießvorrichtung 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den vorangegangenen Figuren 1 und 2 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in den vorangegangenen Figuren 1 und 2 hingewiesen bzw. Bezug genommen.
  • Fig. 3 das weitere Ausführungsbeispiel der Gießvorrichtung 1, insbesondere im Bereich des Magnetelementes 16, in einer schematischen Querschnittansicht geschnitten durch das Strömungsverbindungselement 11 auf Höhe der Elektroden 20, 21.
  • In Fig. 4 ist das weitere Ausführungsbeispiel der Gießvorrichtung 1, insbesondere im Bereich des Magnetelementes 16, in einer Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie IV - IV nach Fig. 3 dargestellt.
  • Die weitere Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels der Gießvorrichtung 1 erfolgt anhand einer Zusammenschau der Figuren 3 und 4.
  • Wie aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass die erste Elektrode 20 eine erste Schmelzekontaktfläche 24 aufweist und die zweite Elektrode 21 eine zweite Schmelzekontaktfläche 25 aufweist. Die beiden Schmelzekontaktflächen 24, 25 können im verbauten Zustand der Elektroden 20, 21 zusammen mit der Innenmantelfläche 19 den Strömungskanal des Strömungsverbindungselementes 11 begrenzen.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass im Strömungsverbindungselement 11 eine erste Ausnehmung 26 ausgebildet ist, in welche die erste Elektrode 20 eingesetzt ist. Weiters kann vorgesehen sein, dass im Strömungsverbindungselement 11 eine zweite Ausnehmung 27 ausgebildet ist, in welcher die zweite Elektrode 21 eingesetzt ist. Die Ausnehmungen 26, 27 können das Strömungsverbindungselement 11 durchdringen.
  • An der ersten Elektrode 20 kann ein erstes Positionierungselement 28 ausgebildet sein, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise als Absatz ausgebildet ist, welcher an einer ersten Anlagefläche 29 des Strömungsverbindungselementes 11 zur Anlage gebracht werden kann.
  • An der zweiten Elektrode 21 kann ein zweites Positionierungselement 30 ausgebildet sein, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise als Absatz ausgebildet ist, welcher an einer zweiten Anlagefläche 31 des Strömungsverbindungselementes 11 zur Anlage gebracht werden kann.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass die erste Elektrode 20 mittels eines ersten Klemmkontaktes 32 mit einem ersten Pol 33 einer Stromquelle gekoppelt ist.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass die zweite Elektrode 21 mittels eines zweiten Klemmkontaktes 34 mit einem zweiten Pol 35 der Stromquelle gekoppelt ist.
  • Weiters kann ein erstes Andrückelement 36 ausgebildet sein, mittels welchem die erste Elektrode 20 in ihrer Position in der ersten Ausnehmung 26 gehalten wird.
  • Weiters kann ein zweites Andrückelement 37 vorgesehen sein, mittels welchem die zweite Elektrode 21 in ihrer Position in der zweiten Ausnehmung 27 gehalten werden kann.
  • Weiters kann vorgesehen sein, dass an der ersten Elektrode 20 ein oder mehrere Heizelemente 38 angeordnet sind. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass an der zweiten Elektrode 21 ein oder mehrere Heizelemente 39 angeordnet sind. Die Heizelemente 38, 39 können jeweils an Seitenflächen der Elektrode 20, 21 angeordnet sein.
  • Wie besonders gut aus Fig. 3 ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass an einer ersten Seite des Strömungsverbindungselementes 11 eine erste Spule 18 angeordnet ist und dass an einer zweiten Seite des Strömungsverbindungselementes 11 eine zweite Spule 40 ausgebildet ist. Weiters kann ein magnetischer Rückschluss, beispielsweise in Form eines C-förmigen Eisenkerns bzw. eines magnetischen Kernes 41 ausgebildet sein, welcher ein erstes offenes Ende 42 und ein zweites offenes Ende 43 aufweisen kann. Der magnetische Kern 41 kann derart angeordnet sein, dass das Strömungsverbindungselement 11 zwischen dem ersten offenen Ende 42 und dem zweiten offenen Ende 43 des magnetischen Kerns 41 angeordnet ist. Die erste Spule 18 kann den Eisenkern 41 im Bereich des ersten offenen Endes 42 umgeben. Die zweite Spule 40 kann den magnetischen Kern 41 im Bereich des zweiten offenen Endes 43 umgeben.
  • Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Gießvorrichtung 1. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass mehrere der Strömungsverbindungselemente 11 ausgebildet sind, welche gleichmäßig verteilt um ein Zentrum angeordnet sein können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind dies beispielsweise vier Strömungsverbindungselemente 11. Zwischen den Strömungsverbindungselementen 11 können einzelne magnetische Kernsegmente 45 angeordnet sein. Jedes der magnetischen Kernsegmente 45 ist jeweils an einem ersten Längsende 46 einem ersten der Strömungsverbindungselemente 11 zugewandt und an einem zweiten Längsende 47 einem zweiten der Strömungsverbindungselemente 11 zugewandt. Das erste Längsende 46 des magnetischen Kernsegmentes 45 ist jeweils von einer ersten der Einzelspulen 44 umgeben und das zweite Längsende 47 des magnetischen Kernsegmentes 45 ist jeweils von einer zweiten der Einzelspulen 44 umgeben.
  • In einer alternativen Ausführungsvariante ist es auch denkbar, dass pro magnetischem Kernsegment 45 jeweils nur eine Einzelspule 44 ausgebildet ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Einzelspule 44 mittig des magnetischen Kernsegmentes 45 angeordnet ist.
  • Somit sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen den vier Strömungsverbindungselementen 11 vier magnetische Kernsegmente 45 angeordnet wobei je magnetischem Kernsegment 45 zwei der Einzelspulen 44 ausgebildet sind.
  • In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können dies beispielsweise auch zwei, drei, fünf, sechs, sieben, acht und auch mehrere Strömungsverbindungselemente 11 sein.
  • Weiters ist es denkbar, dass die einzelnen Einzelspulen 44 mit einer gemeinsamen Stromquelle gekoppelt sind. In einer alternativen Ausführungsvariante ist es auch denkbar, dass die einzelnen Einzelspulen 44 jeweils mit einer eigenen Stromquelle gekoppelt sind und somit unabhängig voneinander schaltbar sind.
  • Weiters ist es denkbar, dass die einzelnen Elektroden 20, 21 mit einer gemeinsamen Stromquelle gekoppelt sind. In einer alternativen Ausführungsvariante ist es auch denkbar, dass die einzelnen Elektroden 20, 21 jeweils mit einer eigenen Stromquelle gekoppelt sind und somit unabhängig voneinander schaltbar sind.
  • In der Figur 6 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform der Gießvorrichtung 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den vorangegangenen Figuren 1 bis 5 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in den vorangegangenen Figuren 1 bis 5 hingewiesen bzw. Bezug genommen.
  • Wie aus Fig. 6 ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass die erste Elektrode 20 einen ersten Bereich 48 aufweist. Weiters kann vorgesehen sein, dass die zweite Elektrode 21 einen ersten Bereich 49 aufweist. Weiters kann vorgesehen sein, dass die erste Elektrode 20 einen zweiten Bereich 50 aufweist. Weiters kann vorgesehen sein, dass die zweite Elektrode 21 einen zweiten Bereich 51 aufweist.
  • Der erste Bereich 48, 49 und der zweite Bereich 50, 51 können jeweils lose aneinander anliegen. Weiters ist es auch denkbar, dass der erste Bereich 48, 49 und der zweite Bereich 50, 51 mittels einer Fügeverbindung miteinander gekoppelt sind.
  • Wie aus Fig. 6 gut ersichtlich, kann jeweils vorgesehen sein, dass die Heizelemente 38, 39 im zweiten Bereich 50, 51 angeordnet sind.
  • In der Figur 7 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform der Gießvorrichtung 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den vorangegangenen Figuren 1 bis 6 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in den vorangegangenen Figuren 1 bis 6 hingewiesen bzw. Bezug genommen.
  • Wie aus Fig. 7 ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass im zweiten Bereich 50, 51 Bohrungen angeordnet sind und dass die Heizelemente 38, 39 in den Bohrungen angeordnet sind.
  • Fig. 8 zeigt ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufes eines Füllvorganges zum Füllen eines Formhohlraumes einer Gussform mit Schmelze.
  • In der Fig. 8 sind unterschiedliche zeitliche Verläufe von verschiedenen Füllkurven mit unterschiedlichen Anstiegen des Druckes im Strömungsverbindungselement 11, insbesondere im Steigrohr 12, gezeigt. Auf der Abszisse ist die Füllzeit aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze im Steigrohr 12 aufgetragen.
  • Eine erste Füllkurve 52 zeigt den zeitlichen Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze im Steigrohr 12 bei einem Druckanstieg von 34 mbar/s und bei Aktivierung des Magnetfeldes nach einer bestimmten Zeit.
  • Eine zweite Füllkurve 53 zeigt den zeitlichen Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze im Steigrohr 12 bei einem Druckanstieg von 24 mbar/s und bei Aktivierung des Magnetfeldes nach einer bestimmten Zeit.
  • Eine dritte Füllkurve 54 zeigt den zeitlichen Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze im Steigrohr 12 bei einem Druckanstieg von 15,7 mbar/s und ohne Aktivierung des Magnetfeldes während dem Gießvorgang. Diese dritte Füllkurve 54 repräsentiert herkömmliche Gießverfahren, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt sind.
  • Alle drei Füllkurven 52, 53, 54 beziehen sich auf drei gleiche Gusswerkstücke, welches in derselben Gießvorrichtung gegossen werden. Bei allen drei Füllkurven 52, 53, 54 repräsentiert der Abfall der Strömungsgeschwindigkeit am Ende der Füllkurve 52, 53, 54 das Ende der Fülldauer des Gießvorganges.
  • Wie aus Fig. 8 ersichtlich, kann bei einem erhöhten Druckanstieg, wie dies anhand der ersten Füllkurve 52 dargestellt ist, eine verkürzte Fülldauer erreicht werden. Trotz dieser verkürzten Fülldauer kann bei einem erhöhten Druckanstieg und Aktivierung des Magnetfeldes, wie dies anhand der ersten Füllkurve 52 dargestellt ist, ein gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Gießvorgang entsprechend der dritter Füllkurve 54 verbessertes Gusswerkstück erreicht werden, welches weniger Lufteinschlüsse aufweist.
  • Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.
  • Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstellen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
  • Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.
  • Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden. Bezugszeichenaufstellung
    1 Gießvorrichtung 31 zweite Anlagefläche
    2 Ofen 32 erster Klemmkontakt
    3 Aufnahmeraum 33 erste Stromquelle
    4 Schmelze 34 zweiter Klemmkontakt
    5 Tiegel 35 zweite Stromquelle
    6 Formaufspannplatte 36 erstes Andrückelement
    7 Gussform 37 zweites Andrückelement
    8 unterer Gussformteil 38 erstes Heizelement
    9 oberer Gussformteil 39 zweites Heizelement
    10 Formhohlraum 40 zweite Spule
    11 Strömungsverbindungselement 41 Magnetischer Kern
    12 Steigrohr 42 erstes offenes Ende des magnetischen Kerns
    13 Anschnitt
    14 Tragkonstruktion 43 zweites offenes Ende des magnetischen Kerns
    15 Druckluftzufuhröffnung
    16 Magnetelement 44 Einzelspule
    17 Elektromagnet 45 Magnetisches Kernsegment
    18 erste Spule 46 erstes Längsende magnetisches Kernsegment
    19 Innenmantelfläche
    20 erste Elektrode 47 zweites Längsende magnetisches Kernsegment
    21 zweite Elektrode
    22 Lorzenkraft 48 erster Bereich erste Elektrode
    23 Förderrichtung 49 erster Bereich zweite Elektrode
    24 erste Schmelzekontaktfläche 50 zweiter Bereich erste Elektrode
    25 zweite Schmelzekontaktfläche 51 zweiter Bereich zweite Elektrode
    26 erste Ausnehmung 52 erste Füllkurve
    27 zweite Ausnehmung 53 zweite Füllkurve
    28 erstes Positionierungselement 54 dritte Füllkurve
    29 erste Anlagefläche
    30 zweites Positionierungselement

Claims (18)

  1. Gießvorrichtung (1) zum Gießen einer Schmelze (4), wobei die Gießvorrichtung (1) ein Strömungsverbindungselement (11) zur Leitung der Schmelze (4) aufweist, wobei am Strömungsverbindungselement (11) eine erste Elektrode (20) und eine zweite Elektrode (21) angeordnet sind, wobei die erste Elektrode (20) eine erste Schmelzekontaktfläche (24) aufweist und die zweite Elektrode (21) eine zweite Schmelzekontaktfläche (25) aufweist, wobei im verbauten Zustand der Elektroden (20, 21) die Schmelzekontaktflächen (24, 25) zur Kontaktierung der im Strömungsverbindungselement (11) geführten Schmelze (4) ausgebildet sind und dass am Strömungsverbindungselement (11) ein Magnetelement (16) angeordnet ist, welches dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld auf den mit Strom beaufschlagten Bereich der Schmelze (4) aufzubringen, wodurch eine Lorenzkraft (22) auf die im Strömungsverbindungselement (11) geführte Schmelze (4) ausgeübt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der ersten Elektrode (20) zumindest ein erstes Heizelement (38) angeordnet ist und im Bereich der zweiten Elektrode (21) zumindest ein zweites Heizelement (39) angeordnet ist.
  2. Gießvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Heizelement (38) und das zweite Heizelement (39) jeweils in Form eines Widerstandheizelementes, insbesondere mit einem keramischen Heizleiter, ausgebildet sind.
  3. Gießvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (20) einen rechteckigen Querschnitt aufweist und dass zwei der ersten Heizelemente (38) an gegenüberliegenden Seiten des Querschnittes der ersten Elektrode (20) angeordnet sind.
  4. Gießvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (20, 21) in einem ersten Bereich (48, 49) der Schmelzekontaktflächen (24, 25) einen Graphitwerkstoff oder einen elektrisch leitfähigen Keramikwerkstoff aufweisen.
  5. Gießvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (20, 21) in einem von den Schmelzekontaktflächen (24, 25) abgewandten zweiten Bereich (50, 51) einen austenitischen Werkstoff aufweisen.
  6. Gießvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Bereich (50) der ersten Elektrode (20) Bohrungen ausgebildet sind, in welchen stabförmige erste Heizelemente (38) angeordnet sind.
  7. Gießvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (16) eine erste Spule (18) und eine zweite Spule (40) umfasst, welche an zwei diametral gegenüberliegenden Seiten des Querschnittes des Strömungsverbindungselementes (11) angeordnet sind.
  8. Gießvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (16) einen magnetischen Kern (41) umfasst, welcher C-förmig ausgebildet ist und derart im Bereich des Strömungsverbindungselementes (11) angeordnet ist, dass das Strömungsverbindungselement (11) zwischen einem ersten offenen Ende (42) des magnetischen Kerns (41) und einem zweiten offenen Ende (43) des magnetischen Kerns (41) angeordnet ist, wobei die erste Spule (18) das erste offene Ende (42) des magnetischen Kerns (41) umgibt und die zweite Spule (40) das zweite offene Ende (43) des magnetischen Kerns (41) umgibt.
  9. Gießvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Strömungsverbindungselemente (11) ausgebildet sind, welche gleichmäßig verteilt um ein Zentrum angeordnet sind, wobei zwischen den Strömungsverbindungselementen (11) einzelne magnetische Kernsegmente (45) angeordnet sind, wobei ein magnetisches Kernsegment (45) jeweils an einem ersten Längsende (46) einem ersten der Strömungsverbindungselemente (11) zugewandt ist und an einem zweiten Längsende (47) einem zweiten der Strömungsverbindungselemente (11) zugewandt ist, wobei das erste Längsende (46) des magnetischen Kernsegmentes (45) von einer ersten der Einzelspulen (44) umgeben ist und das zweite Längsende (47) des magnetischen Kernsegmentes (45) von einer zweiten der Einzelspulen (44) umgeben ist.
  10. Gießvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Spulen (18, 40, 44) eine Kühlvorrichtung ausgebildet ist.
  11. Gießvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (20, 21) jeweils mittels lösbarer Klemmkontakte (32) mit Stromquellen gekoppelt sind.
  12. Verfahren zum Gießen einer Schmelze (4), wobei die Schmelze (4) des metallischen Werkstoffes während des Gießvorganges durch ein Strömungsverbindungselement (11) gefördert wird, wobei im Bereich des Strömungsverbindungselementes (11) mittels einer ersten Elektrode (20) und einer zweiten Elektrode (21), welche den metallischen Werkstoff mittels Schmelzekontaktflächen (24, 25) kontaktieren, mit Strom beaufschlagt wird und gleichzeitig ein Magnetfeld auf den mit Strom beaufschlagten Bereich der Schmelze (4) einwirkt, wodurch eine Lorenzkraft (22) auf die im Strömungsverbindungselement (11) geführte Schmelze (4) ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (20, 21) bei Bedarf mittels Heizelementen (38, 39) beheizt werden, wobei im Bereich der ersten Elektrode (20) zumindest ein erstes Heizelement (38) angeordnet ist und im Bereich der zweiten Elektrode (21) zumindest ein zweites Heizelement (39) angeordnet ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Gießen der Schmelze (4) eine Gießvorrichtung (1) verwendet wird, welche als Niederdruckgießvorrichtung oder als Gegendruckgießvorrichtung ausgebildet ist, wobei die Gießvorrichtung (1) einen Ofen (2) umfasst, in dem ein Aufnahmeraum (3) zur Aufnahme von Schmelze (4) ausgebildet ist, wobei der Aufnahmeraum (3) mittels des Strömungsverbindungselementes (11) mit einer Gussform (7) gekoppelt ist, wobei
    - beim Start des Gießvorganges der Druck im Aufnahmeraum (3) erhöht wird, um die Schmelze (4) durch das Strömungsverbindungselement (11) in die Gussform (7) zu drücken, wobei
    - erst bei Erreichen einer vordefinierten Schmelzemenge, welche durch das Strömungsverbindungselement (11) geströmt ist, im Strömungsverbindungselement (11) die Schmelze mit Strom beaufschlagt wird und gleichzeitig das Magnetfeld aktiviert wird, welches auf den mit Strom beaufschlagten Bereich der Schmelze (4) einwirkt, um die Schmelze im Strömungsverbindungselement (11) zu bremsen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Aufnahmeraum (3) derart erhöht wird, dass an einem Einlauf der Gussform (7) ein konstanter Druckanstieg, insbesondere ein Druckanstieg zwischen 16mbar/s und 45mbar/s, bevorzugt zwischen 23mbar/s und 35mbar/s erfolgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsverbindungselement (11) die Schmelze mit Strom beaufschlagt wird und das Magnetfeld aktiviert wird, welches auf den mit Strom beaufschlagten Bereich der Schmelze (4) einwirkt, um die Schmelze im Strömungsverbindungselement (11) zu bremsen, wenn ein Schmelzespiegel der Schmelze (4) von einem Anschnitt (13) in einen Formhohlraum (10) einströmt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Simulationsmodell berechnet wird, bei welchem Druckanstieg und bei welchen Aktivierzeiten und Aktivierintensitäten des Magnetfeldes und bei welchen Aktivierzeiten und Aktivierintensitäten der Strombeaufschlagung der Schmelze (4) ein Gießvorgang mit möglichst wenigen Lunkern im Gusswerkstück erreicht werden kann.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (20, 21) dann beheizt werden, wenn der Schmelzefluss im Strömungsverbindungselement (11) gestoppt wird, insbesondere dass ein Heizvorgang zum Beheizen der Elektroden (20, 21) mit einer Vorlaufzeit vor dem Stoppen des Schmelzeflusses oder vor dem Unterschreiten einer minimalen Durchflussgeschwindigkeit gestartet wird, wobei die Vorlaufzeit zwischen 1 Sekunde und 180 Sekunden, insbesondere zwischen 5 Sekunden und 120 Sekunden, bevorzugt zwischen 10 Sekunden und 60 Sekunden beträgt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsverbindungselement (11) die Schmelze mit Strom beaufschlagt wird und das Magnetfeld aktiviert wird, welches auf den mit Strom beaufschlagten Bereich der Schmelze (4) einwirkt, um die Schmelze im Strömungsverbindungselement (11) zu bremsen, noch bevor ein Schmelzespiegel der Schmelze (4) von einem Anschnitt (13) in einen Formhohlraum (10) einströmt und dass währenddessen der Druck im Aufnahmeraum (3) erhöht wird und dass zu einem vorgegebenen Zeitpunkt das Magnetfeld deaktiviert wird.
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