WO1999055478A1 - Verfahren zum verarbeiten einer metallschmelze, insbesondere einer leichtmetallschmelze, sowie gekapselter und mit schutzgas beaufschlagbarer dosierofen - Google Patents

Verfahren zum verarbeiten einer metallschmelze, insbesondere einer leichtmetallschmelze, sowie gekapselter und mit schutzgas beaufschlagbarer dosierofen Download PDF

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melt
furnace
dosing
metering
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PCT/DE1999/001131
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Inventor
Wilfried Schmitz
Joachim Kahn
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Otto Junker Gmbh
Kahn, Friedhelm
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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
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/30—Accessories for supplying molten metal, e.g. in rations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/28—Melting pots

Definitions

  • the invention relates to a method for processing a molten metal, in particular a light metal melt, by means of an encapsulated metering furnace charged with protective gas, which is connected via a riser to a casting machine or mold, which is charged with a quantifiable amount of melt by pressurizing the protective gas in the metering furnace and a metering furnace suitable for carrying out the method.
  • the casting mold to be connected directly to the riser tube of a pressure-tight melting vessel is filled by displacing a quantity of the casting material corresponding to the mold cavity from the melting vessel by means of a charging body, the melting level being filled by means of a pressure-controlled protective gas filling is kept constant during the melting and casting phase.
  • REPLACEMENT BLA ⁇ (RULE 26) 2 only certain bolt-shaped charging bodies with suitable connecting elements are used in this process.
  • DE-OS 42 03 193 discloses a method for handling magnesium and magnesium alloy melts, in which the melt is fed to a casting device to be charged by generating an excess pressure in a protective gas volume above the molten bath level. The overpressure is generated by opening a valve that connects the dosing furnace to a pressure accumulator. The melt is metered by measuring the weight of the melt supplied or a size dependent thereon. After dosing, a pressure equalization is brought about again between the protective gas in the dosing furnace and the pouring device, which means that atmospheric pressure is established when the casting is removed.
  • the solution has the disadvantage that the metering of the amount of melt is also still too imprecise and therefore the quality of the castings is inadequate.
  • the invention has for its object to improve the method of the type mentioned in such a way that a metallurgically safe process control, an accurate and rapid metering of the amount of melt required for the casting process and an optimal coupling to the downstream casting process and a casting with high quality Casting is made possible.
  • a dosing furnace suitable for the process should be specified.
  • the object is achieved in that the melt quantity corresponding to a gross cast is fed to the coupled casting machine or mold by increasing the gas pressure in the metering furnace, the increase in the gas pressure corresponding to the height difference between the bath level of the melt and a fill level setpoint in the casting machine or mold that the temperature of the melt is measured in the dosing furnace and regulated to a preset temperature value, that the melt level in the riser pipe and / or the bath height of the melt in the dosing furnace is measured and regulated between preset limit values and that the gas pressure in the protective gas in the dosing furnace is regulated in this way becomes that the melt level in the riser pipe is essentially the same regardless of the bath height in the dosing furnace before each supply of melt to the casting machine or mold, 3 whereby the metered quantity and the casting temperature are kept between selectable limit values by means of the heating powers supplied, the quantity of charging material supplied and the quantity of melt removed as actuating and disturbing variables, and that the casting process takes place in the casting machine or mold under protective gas
  • the method can preferably be carried out in such a way that the gas pressure of the protective gas is measured in the metering furnace and, depending on the bath height of the melt in the metering furnace, is regulated according to a preset function.
  • the invention enables the disturbance variables of the overall process to be influenced prematurely.
  • the melt is expediently additionally heated in the riser pipe. Heating should take place in a controlled manner by measuring the temperature of the melt in the riser pipe and regulating it to a preset temperature value via the heating power supplied to the riser pipe.
  • the melt is always transported in a closed system using the shortest paths, shortest transport times and under precisely controlled temperature conditions. This enables a manageable process to be implemented with a high degree of certainty, as is necessary for the production of quality components.
  • the metal can be added to the system by means of alloy material that has the properties guaranteed by the supplier, or in liquid form with cleaned and treated melt, the properties of which are precisely set and documented.
  • the heat supply is adapted to the respective phases of the process with constant metal quantities with minimal paths for the heat flow and guarantees optimal energy input and thus high efficiency.
  • the precise quantification takes place via a defined feed control and the metal can be preheated in a defined manner before immersion in the melt bath with the aid of a regulated heating system.
  • the melting by immersion in a larger melt bath enables intensive heat transfer at the point in time at which the heat of fusion has to be introduced.
  • the alloy material is initially held in the melt bath with the aid of a guide, so that when it enters the bath, no metal splashes occur and cold material sinks directly into the lower area of the melt bath.
  • the charging device with guide is preferably arranged in the furnace lid or on the upper side wall, so that self-locking prevents alloy material from falling into the furnace in an uncontrolled manner.
  • liquid charging In the case of liquid charging, a metered amount of metal with a defined temperature is introduced below the bath surface, for example via a siphon. Liquid batching can also be used in combination with solid batching, for example to add cleaned return material.
  • the bath level in the system is expediently kept under a protective gas atmosphere at a pressure which is higher than the external atmospheric pressure, as a result of which melting reactions, burn-off losses and contamination are effectively prevented.
  • the low dead volume and the quantified recharging allow the protective gas to be used sparingly, so that more expensive gases, such as argon, can also be used. This makes it possible to dispense with environmentally hazardous substances such as SF 6 or SO 2 . 5
  • the level of the bath level in the dosing furnace is regulated in a narrow range by the constant recharging, so that the delivery height to the casting machine can be kept low, which enables a relatively low overpressure. This enables simple and precise pressure control.
  • the charging material supplied is expediently preheated before being introduced into the metering furnace.
  • Controlled heating also expediently takes place here, too, by measuring the temperature of the charging material and regulating it to a preset temperature value via the heating power supplied during preheating.
  • the melt is removed during metering in the lower area of the bath via a riser pipe with low turbulence against gravity, ensuring that no metal just melted in the upper area of the melt bath is conveyed directly out of the system.
  • the method can also be carried out in such a way that an antechamber to be arranged on the casting machine or mold is filled with the melt for metering, which is independent of the time of the casting process.
  • the individual control loops can be networked in a programmable controller.
  • the coupled control loops of the parameters dosing quantity and pouring temperature in connection with the recharging allow a very high dosing accuracy with constant pouring temperature.
  • the efficiency of the dosing furnace is significantly increased by introducing energy into an almost constant melt volume.
  • the melt bath is preferably heated in the lower region of the crucible, so that with the help of natural convection currents impermissible overheating, heat build-up and temperature differences in the bath are avoided.
  • resistance heating conductors they are distributed on the outside of the cylindrical metering furnace in order to achieve the required high heating output during melting and keeping warm or are arranged inside in a so-called immersion heater. 6
  • induction heating can be used advantageously, the efficiency of which is increased by coupling the largely constant melt volume.
  • an exact local power adjustment can be carried out, so that the highest powers can also be achieved in the lower area of the melt pool if required.
  • a particular advantage of induction technology is the option of variable frequency selection in order to specifically adjust the power input and the bath movement.
  • the high melting power of induction enables an ideal compact unit with high flexibility, which is, for example, ideally suited for use in a flexible production cell in a die-casting foundry.
  • a real-time controlled furnace process can thus be realized with the aid of the method according to the invention. Further improvements can also be achieved with the help of sensors in the casting machine, such as a metal front sensor in the filling chamber of a die casting machine, laser level sensor above a riser or other thermocouples, so that a control loop comprising the entire furnace process and the casting process can be set up.
  • sensors in the casting machine such as a metal front sensor in the filling chamber of a die casting machine, laser level sensor above a riser or other thermocouples, so that a control loop comprising the entire furnace process and the casting process can be set up.
  • the advantages achieved by the invention include, in addition to the high quality of the melt provided, above all a simple plant technology which, in a compact unit, solves all melt preparation tasks from the supplied feedstock to the casting process with optimal coupling of the casting process.
  • the high process reliability enables an increased casting quality as well as an automatic, low-emission and environmentally friendly foundry operation.
  • a metering oven suitable for carrying out the method contains
  • thermocouple acting on the heating device via a controller for measuring the temperature (T s ) of the melt and a level sensor for the bath height (H) of the melt acting on the device for recharging via a controller and / or a pressure sensor acting on the pressure generator for the protective gas via a controller, in the case of a lack of a level sensor also acting on the controller for post-charging in the dosing furnace and / or level sensor on the riser.
  • the regulator for the gas pressure can be designed so that the bath height of the melt measured with the level sensor in the dosing furnace is applied as a disturbance variable. In this way, regardless of the current level of the bath, such a gas pressure is always maintained in the metering furnace that a certain melt level is produced in the riser before each supply of melt to the casting device.
  • the gas pressure can also be adjusted solely as a function of the melt level in the riser pipe, if its height is measured here alone using a level sensor. The level of gas pressure in the metering furnace can then be used to regulate the recharge.
  • the device for recharging with solid charging material expediently consists of a lock provided with a tubular seal and a feed drive for the charging material which interacts with the fill level sensor.
  • the device for recharging with solid charging material can also be a sluice with a material chamber that can be moved by a slide cylinder, on the open ends of which are alternately opening and closing slides attached in an upper and lower position of the material chamber, and with a feed device for the upper one that is controlled by a displacement sensor Have position of the material chamber and a gas pressure control device.
  • a support rail partially immersed in the melt and connected to the lock can be provided for the self-locking support of the solid charging material.
  • the lock is preferably equipped with a temperature-controlled heating device for the charging material.
  • a device for recharging with liquid charging material can expediently be constructed in such a way that it consists of a melt vessel which can be coupled to a filling tube of the metering furnace 8 exists, which is equipped with a cooperating with the level sensor conveyor for the melt.
  • the riser pipe is also equipped with a temperature-controlled heating device for the melt.
  • the dosing furnace can consist of a steel crucible as a basic element. For safety reasons, this can be surrounded by a melt collecting trough, the free volume of which is able to take up the possibly flowing melt from the dosing furnace.
  • induction heating it is also possible to backfill a, for example, metallic crucible with a ceramic mass, which ensures good support and additional protection in the event of a crucible leak.
  • the riser pipe should have a volume of at least one gross cast and usefully an inner diameter of at least 30 mm. It should also be connected directly from below to the filling chamber of the die casting machine or die. This design guarantees low-turbulence conveying of the melt with a short transport route and thus ensures a short dosing time with low temperature losses.
  • the construction of the dosing furnace can be designed so that the riser pipe opens into a prechamber which is connected to the filling chamber of the die casting machine via a short pipe.
  • the prechamber can have an overflow edge, so that it only picks up a defined amount of melt.
  • the riser pipe is connected from below to the filling chamber of a die casting machine and has a second connecting channel opening into the filling chamber at the intended level, via which excess melt is automatically returned to the prechamber.
  • a central furnace control e.g. B. in the form of a programmable logic controller, a central controller of the die casting machine for transferring process parameters is connected via a signal line to this central furnace controller.
  • FIG. 1 shows a section through a dosing furnace with recharging in the form of bolts
  • FIG. 4 shows a section through a dosing furnace and a transport vessel for liquid recharging
  • Fig. 6 shows a variant of the coupling of metering furnace and filling chamber of a die casting machine
  • Fig. 7 shows a second variant of the coupling of dosing furnace and filling chamber of a die casting machine
  • bolt-shaped alloy material 1 is pushed through a lock seal 4 of a lock 5 with a feed device 3 controlled by a displacement sensor 2.
  • the lock 5 is equipped with a heating device 6 for preheating the bolt-shaped alloy material 1.
  • a temperature sensor 7 measures the temperature of the alloy material 1, which is fed to a controller 8 for regulating the heating device 6.
  • a melt bath 10 which is heated with resistance heating elements 11.
  • a temperature sensor 12 in the melt bath 10 gives a measurement signal for the heating output control 13.
  • the alloy material 1 is slowly fed into the melt bath 10 via a support rail 14, whereby it melts in the upper bath area. 10
  • the bath surface 15 is protected against erosion and oxidation by a protective gas 16.
  • the protective gas 16 is constantly under a slight excess pressure.
  • a fill level sensor 17 measures the height of the bath surface 15 and triggers recharging of the feed device 3 when a minimum value is exceeded.
  • the connection to a casting device is made by a riser pipe 18.
  • the riser pipe 18 is also heated by a heating device 19, which is regulated by means of a thermocouple 20 and a regulator 21 and a desired casting temperature in the melt sets.
  • the dosing furnace is protected with insulation 22 against large radiation losses to the outside. If there is a leak in the crucible 9, the melt flows into a collecting trough 23 surrounding the crucible 9.
  • the gas pressure in the protective gas 16 above the bath surface 15 is measured with a gas pressure sensor 24 and regulated with a gas pressure regulator 25 via the gas control valve 26, the gas pressure regulator 25 being connected to the level of the bath surface 15 measured with the fill level sensor 17, since the gas pressure above the bath surface 15 is influenced by this.
  • the gas pressure is now increased in accordance with the metered quantity and the delivery head to the pouring device, specifically by the pressure difference that corresponds to the height difference between the bath level and a fill level setpoint in the pouring device.
  • the metering accuracy can optionally be increased by feedback from a level sensor in the casting device to the gas pressure regulator 25.
  • the pouring device 27 was also filled with protective gas 16, so that the entire dosing and pouring process takes place under protective gas. 11
  • FIG. 2 shows a metering furnace with inductively heated crucible 9.
  • the melt reaches the interface to the casting device 27 via a vertical riser pipe 18, which is essentially heated via the metering furnace, so that the additional heating device 19 can be dimensioned correspondingly smaller.
  • the level of the melt in the riser 18 is measured by means of a level sensor 56 and regulated via the gas pressure in the metering furnace in such a way that it is approximately the same each time the melt is fed to the casting device.
  • An induction heater 28 is controlled by means of a temperature sensor 12 and the heating power control 13 and allows flexible power input by means of a variable frequency and the control of independent coils.
  • the inductive force effect ensures good mixing of the molten bath 10, as a result of which segregations and deposits on the bottom of the crucible 9 are reliably avoided.
  • the crucible 9 is supported with the aid of a ceramic intermediate layer 29, which additionally offers good protection in the event of a crucible leak.
  • the alloy material 1 which is in the form of a mass in this case, is preheated to a defined temperature by means of a separate heating device 6.
  • the pigs (possibly several next to each other) are inserted linearly into the lock 30.
  • a slide cylinder 31 is in the lower position so that a slide 32 opens and a slide 33 closes.
  • the air introduced with the pigs is displaced to the outside by a short protective gas purging.
  • the pressure is raised to the same level as in the furnace chamber with the aid of a gas pressure regulator 34 and a gas pressure valve 35 for the lock 30.
  • the slide cylinder 31 moves into the upper position, so that the slide 33 is opened.
  • the feed device 3 pushes the ingot on the support rail 14 into the melting zone on the bath surface 15.
  • the entire lock 30 can be uncoupled from a mounting flange, so that ingots can be introduced very quickly into the unpressurized furnace.
  • the geometry of the lock 30 is designed so that hot protective gas 16 remains trapped in the upper part and only a small amount of air is introduced from the outside when the pigs are inserted.
  • control of the process parameters and the dosing take place in a manner similar to that in the exemplary embodiment according to FIG. 1.
  • FIG. 3 shows the coupling of the control loops for the temperature T m , Tn of the alloy material 1, the melt temperature Ts, the casting temperature T g , the bath height H and the gas pressure P g of the protective gas 16 for the embodiment according to FIG. 1.
  • the transition functions are general marked with F.
  • the strongly changing melt temperature T s which causes a different expansion of the melt bath 10, acts as a disturbance variable on the bath height H.
  • the melt temperature Ts is therefore regulated within narrow limits by means of the heating power controller 13. 13
  • the bath height H influences the gas pressure P g of the protective gas 16 in the furnace chamber. This is measured with the gas pressure sensor 24 and controlled via the gas control valve 26 and the gas pressure regulator 25, a disturbance variable being applied in such a way that the melt in the riser pipe 18 is the same before each metering process, regardless of the bath height H of the melt bath 10 in the crucible 9 is.
  • the gas pressure P g is then temporarily increased in accordance with the required delivery head to the pouring device 27 and the metered quantity md.
  • the metering accuracy can be increased by reporting the metered amount of melt md to the gas pressure regulator 25.
  • the melt temperature Ts also acts as a disturbance variable on the gas pressure P g in the furnace chamber, so that the smallest possible fluctuations in the melt temperature Ts are desired.
  • the casting temperature T g can be measured before or after the interface to the casting device 27 and is set precisely by the controller 8 of the heating device 19, the input variable being the melt temperature Ts in the melt bath 10. This results in the melt bath 10 as a complex function F from the thermal energy introduced, depending on the regulated heating power of the temperature T m or T 1 of the alloy material 1 and the charging quantities m or fl used.
  • the temperature T m of the solid alloy material 1 is set with the heating controlled by the controller 8 in the preheating process, starting from the ambient temperature T mo .
  • FIG. 4 shows a side section of a transport vessel 37, from which the melt bath 10 below the bath surface 15 can be re-changed with a melt quantum via a filler pipe 38.
  • a delivery channel 39 from the transport vessel 37 is tightly connected to the filler pipe 38 by a releasable coupling 40.
  • liquid can be recharged until the fill level sensor 17 in the melt bath 10 of the dosing furnace switches off at maximum bath height H. 14
  • the transport vessel 37 can be kept at a defined temperature T A with a resistance-heated immersion heater 42 with the aid of a heating control 43 and a thermocouple 44.
  • Fig. 5 shows an example of the interaction of the dosing furnace with a downstream die casting device.
  • a certain amount of magnesium is melted in the pressure-tightly encapsulated crucible 9 of a dosing furnace.
  • the crucible 9 is connected via the riser pipe 18, which starts in the lower region of the molten bath 10, to the filling chamber 45 of a die casting machine, to which a die 46 is connected.
  • the space above the melt bath 10 is filled with argon, which is removed from a storage vessel 47.
  • the filling chamber 45 and the die 40 are also filled with argon.
  • the gas pressure in the metering furnace is increased, so that the argon is displaced from the filling chamber 45 into the die 46.
  • the piston of the die casting machine first moves over the mouth of the riser pipe 18 in the filling chamber 45, after which the gas pressure in the metering furnace is reduced at least until the melt level in the riser pipe 18 has reached its initial state again.
  • the melt is then conveyed into the die 46 by the piston and the argon is displaced from the die 46, the filling chamber 45 being filled with argon immediately after the shot has been fired, so that the bath level in the riser pipe 18 does not come into contact with air. After the casting has been removed from the die 46, the latter is again filled with argon.
  • All control processes are carried out by a central furnace controller 48, which is also connected to a central controller 49 of the die casting machine via a signal line 50 for transferring process parameters.
  • the central furnace controller 48 which can be implemented by a programmable logic controller, controls the timing of all processes very flexibly, e.g. B. by programmed "if - then" conditions, so that in the set-up phase when casting weight, solidification times, mold closing times, charging times, batch formats, dosing times required 15
  • Amount of funding etc. are fixed, individual coordination of the individual control loops can be made.
  • a charging process is triggered after each or every nth metering process.
  • a charging process is triggered when the mold is opened, provided the bath level is not above the maximum value or the melt temperature Ts is too low.
  • FIG. 6 shows a variant of the coupling between the die casting machine and the riser pipe 18.
  • a prechamber 51 Shortly below the mouth of the riser pipe 18 is a prechamber 51 which is connected to the filling chamber 45 via a connecting channel 53.
  • the connecting channel 53 opens into the filling chamber 45 in such a way that too much dosed melt automatically flows back into the pre-chamber 51 after the piston of the die casting machine has passed over the mouth of the riser pipe 18, at which moment the gas pressure in the dosing furnace is reduced.
  • the mouth of the connecting channel 53 in the filling chamber 45 must therefore be placed at a point at which the fill level corresponds as exactly as possible to the metered amount of a shot.
  • FIG. 7 shows a further variant of the coupling between the die casting machine and the riser pipe 18.
  • the riser pipe 18 is connected to a heated, self-contained prechamber 51 via an overflow edge 54.
  • the volume of the pre-chamber 51 corresponds exactly to a shot quantity.
  • a tube 52 extending from the filling chamber 45 of the die casting machine plunges into the pre-chamber 51.
  • the coupling to the filling chamber 45 is therefore somewhat flexible. The filling of the filling chamber 45 takes place by generating a pressure difference between the 16

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Abstract

Das Verfahren soll ein genaues und schnelles Dosieren einer Schmelzemenge für einen nachfolgenden Gießprozeß erlauben. Das Verfahren sieht vor, daß die einem Bruttoabguß entsprechende Schmelzemenge der angekoppelten Gießmaschine oder -form mittels Erhöhung des Gasdrucks im Dosierofen zugeführt wird, wobei die Erhöhung des Gasdrucks der Höhendifferenz zwischen dem Badspiegel der Schmelze und einem Füllstandsollwert in der Gießmaschine oder -form entspricht, daß im Dosierofen die Temperatur der Schmelze gemessen und auf einen voreingestellten Temperaturwert geregelt wird, daß der Schmelzestand im Steigrohr und/oder die Badhöhe der Schmelze im Dosierofen gemessen und zwischen voreingestellten Grenzwerten geregelt wird und daß der Gasdruck im Schutzgas im Dosierofen so geregelt wird, daß der Schmelzestand im Steigrohr unabhängig von der Badhöhe im Dosierofen vor jedem Zuführen von Schmelze zur Gießmaschine oder -form im wesentlichen gleich ist, wobei die Dosiermenge und die Gießtemperatur mittels der zugeführten Heizleistungen, der Menge des zugeführten Chargiermaterials und der entnommenen Schmelzemenge als Stell- und Störgrößen zwischen wählbaren Grenzwerten gehalten werden, und daß der Gießprozeß in der Gießmaschine oder -form unter Schutzgas erfolgt. Das Verfahren ist für die Verarbeitung von Metallschmelzen vorgesehen, die unter Schutzgas aufgeschmolzen werden müssen, z.B. Magnesium.

Description

Verfahren zum Verarbeiten einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetallschmelze, sowie gekapselter und mit Schutzgas beaufschlagbarer Dosierofen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetallschmelze, mittels eines gekapselten, mit Schutzgas beaufschlagten Dosierofens, der über ein Steigrohr mit einer Gießmaschine oder -form verbunden ist, die mit einer quantifizier- baren Schmelzemenge mittels Druckbeaufschlagung des Schutzgases im Dosierofen beschickt wird, und einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Dosierofen.
In der Gießereipraxis sind zahlreiche Schmelz- und Dosiersysteme mit mechanischen oder pneumatischen Beschickungseinrichtungen bekannt, (auch vgl. E. Brunnhuber Gießereilexikon, Fachverlag Schiele und Schön 1997, Aufl. 17, Seite 137 bis 139), bei denen die Handhabung der Schmelze über relativ lange Transportwege zumeist an offener Atmosphäre und durch einen frei fallenden Gießstrahl gekennzeichnet ist. Nachteilig bei solchen Systemen sind die Beeinträchtigung der Schmelzequalität durch Abbrandverluste, Schlacken - bzw. Oxidbildung und Gasaufnahme sowie die starken Schwankungen der Gießtemperatur, welche die Prozeß Sicherheit und damit die Gußteilqualität negativ beeinflussen. Außerdem ist die Dosiergenauigkeit eingeschränkt, was sowohl hinsichtlich der Qualität der Gußteile als auch der Wirtschaftlichkeit des gesamten Fertigungsprozesses nachteilig ist.
Bei dem Schmelz- und Niederdruckgußverfahren nach DE-PS 20 41 588 wird die an das Steig- röhr eines druckdichten Schmelzegefäßes direkt anzuschließende Gießform durch Verdrängen einer dem Formhohlraum entsprechenden Menge des Gießgutes aus dem Schmelzegefäß mittels eines Chargierkörpers gefüllt, wobei der Schmelzespiegel mittels einer druckgeregelten Schutzgasfüllung während der Schmelz- und Gießphase konstant gehalten wird.
Hauptnachteil dieses Verfahrens ist, daß eine hohe Schmelzleistung mit Regelung einer konstanten Gießtemperatur kaum möglich ist. Ein Dosieren mittels Gasdruckregelung in Verbindung mit dem direkten Nachchargieren ergibt nicht die erforderliche Dosiergenauigkeit, so daß die Anwendung des Verfahrens auf den Niederdruckguß beschränkt bleibt. Außerdem können bei
ERSATZBLAπ (REGEL 26) 2 diesem Verfahren nur bestimmte bolzenfόrmige Chargierkörper mit geeigneten Verbindungselementen verwendet werden.
Mit der DE-OS 42 03 193 ist ein Verfahren zur Handhabung von Magnesium- und Magnesium- legierungsschmelzen bekannt, bei dem die Schmelze einer zu beschickenden Gießvorrichtung durch Erzeugen eines Überdrucks in einem Schutzgasvolumen über dem Schmelzebadspiegel zugeführt wird. Der Überdruck wird durch Öffnen eines Ventils erzeugt, das den Dosierofen mit einem Druckspeicher verbindet. Die Dosierung der Schmelze erfolgt durch Messung des Gewichts der zugeführten Schmelze oder einer davon abhängigen Größe. Nach dem Dosieren wird zwischen dem Schutzgas im Dosierofen und der Gießeinrichtung wieder ein Druckausgleich herbeigeführt, das heißt, daß sich beim Entfernen des Gußstückes Atmosphärendruck einstellt.
Die Lösung hat den Nachteil, daß die Dosierung der Schmelzmenge ebenfalls noch zu ungenau und deshalb die Qualität der Gußstücke unzureichend ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine metallurgisch sichere Prozeßführung, ein genaues und schnelles Dosieren der für den Gießprozeß nötigen Schmelzemenge und eine optimale Ankopplung an den nachgeschalteten Gießprozeß erfolgt und ein Gießen mit hoher Qualität des Gußstückes ermög- licht wird. Außerdem soll ein für das Verfahren geeigneter Dosierofen angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die einem Bruttoabguß entsprechende Schmelzemenge der angekoppelten Gießmaschine oder -form mittels Erhöhung des Gasdrucks im Dosierofen zugeführt wird, wobei die Erhöhung des Gasdrucks der Höhendifferenz zwischen dem Badspiegel der Schmelze und einem Füllstandsollwert in der Gießmaschine oder -form entspricht, daß im Dosierofen die Temperatur der Schmelze gemessen und auf einen voreingestellten Temperaturwert geregelt wird, daß der Schmelzestand im Steigrohr und/oder die Badhöhe der Schmelze im Dosierofen gemes- sen und zwischen voreingestellten Grenzwerten geregelt wird und daß der Gasdruck im Schutzgas im Dosierofen so geregelt wird, daß der Schmelzestand im Steigrohr unabhängig von der Badhöhe im Dosierofen vor jedem Zuführen von Schmelze zur Gießmaschine oder -form im wesentlichen gleich ist, 3 wobei die Dosiermenge und die Gießtemperatur mittels der zugeführten Heizleistungen, der Menge des zugeführten Chargiermaterials und der entnommenen Schmelzemenge als Stell- und Störgrößen zwischen wählbaren Grenzwerten gehalten werden, und daß der Gießprozeß in der Gießmaschine oder -form unter Schutzgas erfolgt.
Bevorzugt kann das Verfahren so durchgeführt werden, daß der Gasdruck des Schutzgases im Dosierofen gemessen und in Abhängigheit von der Badhöhe der Schmelze im Dosierofen nach einer voreingestellten Funktion geregelt wird.
Die Erfindung ermöglicht durch die Kopplung der Regelkreise für die Chargierungen, den Badspiegel der Schmelze im Dosierofen, den Gasdruck im Dosierofen über der Badoberfläche und die Temperatur im Schmelzebad die vorzeitige Beeinflussung der Störgrößen des Gesamtprozesses.
Beim Dosieren der Schmelze für den nachfolgenden Gießprozeß gelangt dann eine genau quantifizierte Schmelzemenge von einem Niveau unterhalb der Badoberfläche des Dosierofens über ein Steigrohr turbulenzarm entgegen der Schwerkraft in die Gießmaschine oder -form.
Zweckmäßig wird die Schmelze im Steigrohr zusätzlich beheizt. Die Beheizung sollte geregelt erfolgen, indem die Temperatur der Schmelze im Steigrohr gemessen und über die am Steigrohr zugeführte Heizleistung auf einen voreingestellten Temperaturwert geregelt wird.
Der Schmelzetransport erfolgt immer im geschlossenen System über kürzeste Wege, kürzeste Transportzeiten und unter genau geregelten Temperaturverhältnissen. Dadurch wird ein be- herrschbarer Prozeß mit hoher Sicherheit realisiert, wie er zur Erzeugung von Qualitätsbauteilen notwendig ist.
Die Metallzugabe in das System kann fest mittels Legierungsmaterial, das die vom Lieferanten garantierten Eigenschaften besitzt, oder flüssig mit gereinigter und behandelter Schmelze, deren Eigenschaften exakt eingestellt und dokumentiert sind, erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung metallurgisch hochwertiger Stranggußmasseln, die sehr einfach in das System eingeschleust werden können und die nur einen geringen Anteil an Verunreinigungen und Oxiden mit einbringen. Bei höchsten Anforderungen an die Bauteilquali- 4 tat kann die Oberfläche der Stranggußmasseln bearbeitet sein. Mit Hilfe einer flexiblen Schleuse lassen sich aber auch alle anderen konventionellen Masselformate verwenden.
Die Wärmezufuhr erfolgt angepaßt an die jeweiligen Phasen des Prozesses mit konstanten Me- tallmengen bei minimalen Wegen für den Wärmefluß und garantiert eine optimale Energieeinbringung und damit einen hohen Wirkungsgrad.
Alle in der Ofentechnologie verfugbaren Beheizungsarten lassen sich anwenden bzw. kombinieren und somit die für den jeweiligen Anwendungsfall technisch und wirtschaftlich sinnvollste Lösung realisieren.
Bei der Chargierung mit festem Legierungsmaterial erfolgt die genaue Quantifizierung über eine definierte Vorschubregelung und das Metall kann vor dem Eintauchen in das Schmelzebad mit Hilfe einer geregelten Heizung definiert vorgewärmt werden. Das Aufschmelzen durch Eintau- chen in ein größeres Schmelzebad ermöglicht die intensive Wärmeübertragung zu dem Zeitpunkt, an dem die Schmelzwärme eingebracht werden muß. Vorteilhaft wird das Legierungsmaterial im Schmelzebad zunächst mit Hilfe einer Führung gehalten, so daß beim Eindringen in das Bad weder Metallspritzer entstehen noch kaltes Material direkt in den unteren Bereich des Schmelzebades absinkt. Die Chargiervorrichtung mit Führung wird vorzugsweise im Ofendeckel oder an der oberen Seitenwand angeordnet, so daß durch Selbsthemmung verhindert wird, daß Legierungsmaterial unkontrolliert in den Ofen fällt.
Bei Flüssigchargierung wird eine dosierte Metallmenge mit definierter Temperatur unterhalb der Badoberfläche, zum Beispiel über einen Siphon, eingeführt. Die Flüssigchargierung kann als Ergänzung auch in Kombination mit der Festchargierung angewendet werden, um zum Beispiel gereinigtes Rücklaufmaterial zuzusetzen.
Der Badspiegel wird im System zweckmäßig unter einer Schutzgasatmosphäre mit einem gegen den äußeren Atmosphärendruck erhöhten Druck gehalten, wodurch Schmelzereaktionen, Ab- brandverluste und Verunreinigungen wirkungsvoll unterbunden werden. Das geringe Totvolumen und die quantifizierte Nachchargierung ermöglichen die sparsame Verwendung von Schutzgas, so daß auch teurere Gase, wie zum Beispiel Argon, verwendet werden können. So ist der Verzicht auf umweltgefährdende Stoffe, wie zum Beispiel SF6 oder SO2 möglich. 5
Die Badspiegelhöhe im Dosierofen wird durch die ständige Nachchargierung in einem engen Bereich geregelt, so daß die Förderhöhe zur Gießmaschine klein gehalten werden kann, was einen relativ niedrigen Überdruck ermöglicht. Somit ist eine einfache und präzise Drucksteuerung realisierbar.
Zweckmäßig wird das zugeführte Chargiermaterial vor dem Einbringen in den Dosierofen vorerwärmt. Auch hier erfolgt zweckmäßig wieder eine geregelte Erwärmung, indem die Temperatur des Chargiermaterials gemessen und über die bei der Vorerwärmung zugeführte Heizleistung auf einen voreingestellten Temperaturwert geregelt wird.
Die Entnahme der Schmelze beim Dosieren erfolgt im unteren Bereich des Bades über ein Steigrohr turbulenzarm gegen die Schwerkraft, wobei sichergestellt wird, daß kein im oberen Bereich des Schmelzebades soeben aufgeschmolzenes Metall direkt aus dem System gefördert wird.
Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, daß zum zeitlich vom Gießprozeß unabhängigen Dosieren eine an der Gießmaschine oder -form anzuordnende Vorkammer mit der Schmelze gefüllt wird.
Die einzelnen Regelkreise lassen sich in einer programmierbaren Steuerung vernetzen.
Die gekoppelten Regelkreise der Parameter Dosiermenge und Gießtemperatur in Verbindung mit der Nachchargierung ermöglichen eine sehr hohe Dosiergenauigkeit mit konstanter Gießtemperatur.
Der Wirkungsgrad des Dosierofens wird durch die Energieeinbringung in ein nahezu konstantes Schmelzevolumen deutlich gesteigert.
Die Beheizung des Schmelzebades erfolgt vorzugsweise im unteren Bereich des Tiegelgefäßes, so daß mit Hilfe von natürlichen Konvektionsströmungen unzulässige Überhitzungen, Wär- mestau und Temperaturunterschiede im Bad vermieden werden. Bei Verwendung von Widerstandsheizleitern werden diese zum Erreichen der geforderten hohen Heizleistung beim Aufschmelzen und Warmhalten außen über die Mantelfläche des zylindrischen Dosierofens verteilt bzw. innen in einem sogenannten Tauchheizkörper angeordnet. 6
Werden höhere Leistungsdichten gefordert, so läßt sich vorteilhaft eine Induktionsheizung einsetzen, deren Wirkungsgrad durch das Ankoppeln des weitgehend konstanten Schmelzevolumens erhöht wird. Durch Verwendung mehrerer Spulen kann eine genaue lokale Leistungsanpassung vorgenommen werden, so daß bei Bedarf auch im unteren Bereich des Schmelzebades die höchsten Leistungen erreicht werden. Von besonderem Vorteil ist bei der Induktionstechnologie die Möglichkeit variabler Frequenzwahl, um die Leistungseinbringung und die Badbewegung gezielt einzustellen.
Die hohe Schmelzleistung der Induktion ermöglicht ein ideales Kompaktaggregat mit hoher Fle- xibilität, welches zum Beispiel ausgezeichnet für den Einsatz in einer flexiblen Fertigungszelle einer Druckgießerei geeignet ist.
Die moderne Qualitätssicherung fordert reproduzierbare Gesamtprozesse in der gesamten Fertigungskette ohne unkontrollierbare Einflüsse an den Prozeßschnittstellen. So kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein echtzeitgeregelter Ofenprozeß realisiert werden. Weitere Verbesserungen können zusätzlich mit Hilfe von Sensoren in der Gießmaschine, wie zum Beispiel ein Metallfrontsensor in der Füllkammer einer Druckgußmaschine, Laserniveausensor über einem Steiger oder weiteren Thermoelementen erreicht werden, so daß ein den gesamten Ofenprozeß und den Gießprozeß umfassender Regelkreis aufgebaut werden kann.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beinhalten neben der hohen Qualität der bereitgestellten Schmelze vor allem eine einfache Anlagentechnik, die in einem Kompaktaggregat alle Aufgaben der Schmelzebereitstellung vom gelieferten Einsatzmaterial bis hin zum Gießprozeß bei optimaler Ankopplung des Gießprozesses löst.
Die hohe Prozeßsicherheit ermöglicht eine gesteigerte Gußqualität sowie einen automatischen, emissionsarmen und umweltfreundlichen Gießereibetrieb.
Ein zur Durchführung des Verfahrens geeigneter Dosierofen enthält erfindungsgemäß
eine Einrichtung zur Nachchargierung mit festem oder flüssigem Chargiermaterial,
ein über einen Regler auf die Heizeinrichtung einwirkendes Thermoelement zur Messung der Temperatur (Ts) der Schmelze und einen über einen Regler auf die Einrichtung zur Nachchargierung einwirkenden Füllstandssensor für die Badhöhe (H) der Schmelze und/oder einen über einen Regler auf einen Druckerzeuger für das Schutzgas, im Fall des Fehlens eines Füllstandssensors auch auf den Regler für die Nach- chargierung einwirkenden Drucksensor im Dosierofen und/oder Füllstandssensor am Steigrohr.
Der Regler für den Gasdruck kann dabei so ausgeführt sein, daß ihm die mit dem Füllstandsensor im Dosierofen gemessene Badhöhe der Schmelze als Störgröße aufgeschaltet ist. Auf diese Weise wird, unabhängig von dem jeweiligen Stand der Badhöhe, immer ein solcher Gasdruck im Dosierofen aufrechterhalten, daß vor jedem Zuführen von Schmelze zur Gießeinrichtung ein bestimmter Schmelzestand im Steigrohr hergestellt wird. Alternativ dazu kann der Gasdruck auch allein in Abhängigkeit von dem Schmelzestand im Steigrohr verstellt werden, wenn dessen Höhe allein hier mittels eines Füllstandssensors gemessen wird. Für die Regelung der Nachchargierung kann dann die Höhe des Gasdrucks im Dosierofen herangezogen werden.
Zweckmäßig besteht die Einrichtung zur Nachchargierung mit festem Chargiermaterial aus einer mit einer schlauchförmigen Dichtung versehenen Schleuse und einem mit dem Füllstandsensor zusammenwirkenden Vorschubantrieb für das Chargiermaterial.
Die Einrichtung zur Nachchargierung mit festem Chargiermaterial kann auch eine Schleuse mit einer durch einen Schieberzylinder verschiebbaren Materialkammer, an deren offenen Enden in einer oberen und unteren Position der Materialkammer wechselweise öffnende und schließende Schieber befestigt sind, und mit einem über einen Wegsensor gesteuerten Vorschubeinrichtung für die obere Position der Materialkammer und eine Gasdruckregeleinrichtung aufweisen.
In vorteilhafter Weise kann eine teilweise in die Schmelze eintauchende, mit der Schleuse verbundene Auflageschiene für die selbsthemmende Auflage des festen Chargiermaterials vorgesehen sein.
Bevorzugt ist die Schleuse mit einer temperaturgeregelten Heizeinrichtung für das Chargiermaterial ausgerüstet.
Eine Einrichtung zur Nachchargierung mit flüssigem Chargiermaterial kann zweckmäßig so aufgebaut sein, daß sie aus einem an ein Einfüllrohr des Dosierofens ankoppelbaren Schmelzegefäß 8 besteht, das mit einer mit dem Füllstandsensor zusammenwirkenden Fördereinrichtung für die Schmelze ausgerüstet ist.
Zur Durchführung einer bevorzugten Verfahrensvariante ist auch das Steigrohr mit einer tempe- raturgeregelten Heizeinrichtung für die Schmelze ausgerüstet.
Der Dosierofen kann als Basiselement aus einem Stahltiegel bestehen. Aus Sicherheitsgründen kann dieser von einer Schmelzeauffangwanne umgeben sein, deren freies Volumen in der Lage ist, die eventuell ausfließende Schmelze aus dem Dosierofen aufzunehmen.
Bei Induktionsheizung ist es auch möglich, einen beispielsweise metallischen Tiegel mit einer keramischen Masse zu hinterfüllen, wodurch eine gute Abstützung und ein zusätzlicher Schutz im Falle eines Tiegellecks gewährleistet wird.
Das Steigrohr sollte ein Fassungsvolumen von mindestens einem Bruttoabguß und zweckmäßig einen Innendurchmesser von mindestens 30 mm haben. Es sollte außerdem direkt von unten mit der Füllkammer der Druckgießmaschine bzw. der Druckgießform verbunden sein. Diese Gestaltung garantiert ein turbulenzarmes Fördern der Schmelze bei kurzem Transportweg und sorgt so für eine kurze Dosierzeit mit geringen Temperaturverlusten.
Für eine flexible Ankopplung an eine Druckgießmaschine kann der Aufbau des Dosierofens so gestaltet sein, daß das Steigrohr in eine Vorkammer mündet, welche über ein kurzes Rohr mit der Füllkammer der Druckgießmaschine verbunden ist. Dabei kann die Vorkammer eine Überlaufkante aufweisen, so daß sie immer nur eine definierte Schmelzemenge aufnimmt.
Nach einer weiteren Variante kann vorgesehen sein, daß das Steigrohr von unten mit der Füllkammer einer Druckgießmaschine verbunden ist und einen zweiten, in Höhe der beabsichtigten Füllstandhöhe in die Füllkammer mündenden Verbindungskanal hat, über den zuviel dosierte Schmelze selbsttätig in die Vorkammer zurückgeführt wird.
Zur Steuerung der gesamten Prozesse kann eine zentrale Ofensteuerung, z. B. in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung vorgesehen sein, wobei eine zentrale Steuerung der Druckgießmaschine zur Übergabe von Prozeßparametern über eine Signalleitung mit dieser zentralen Ofensteuerung verbunden ist. 9
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Dosierofen mit Nachchargierung in Form von Bolzen,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Dosierofen mit induktiv beheiztem Tiegel,
Fig. 3 die miteinander gekoppelten Regelkreise für die Temperaturen, Badhöhe und Gasdruck für einen Dosierofen gemäß Fig. 1,
Fig. 4 einen Schnitt durch einen Dosierofen und ein Transportgefäß für flüssige Nachchargierung,
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Dosierofens zusammen mit einer nachgeordneten Gießmaschine,
Fig. 6 eine Variante der Kopplung von Dosierofen und Füllkammer einer Druckgießmaschine und
Fig. 7 eine zweite Variante der Kopplung von Dosierofen und Füllkammer einer Druckgießmaschine
Bei dem in Figur 1 gezeigten Dosierofen wird bolzenförmiges Legierungsmaterial 1 mit einer über einen Wegsensor 2 geregelten Vorschubeinrichtung 3 durch eine Schleusendichtung 4 einer Schleuse 5 geschoben. Die Schleuse 5 ist mit einer Heizeinrichtung 6 für die Vorerwärmung des bolzenförmigen Legierungsmaterials 1 ausgerüstet. Ein Temperatursensor 7 mißt die Temperatur des Legierungsmaterials 1, die einem Regler 8 zur Regelung der Heizeinrichtung 6 aufgegeben wird.
In einem Tiegel 9 befindet sich ein Schmelzebad 10, das mit Widerstandsheizelementen 11 beheizt wird. Ein Temperatursensor 12 im Schmelzebad 10 gibt ein Meßsignal für die Heizleistungsregelung 13. Das Legierungsmaterial 1 wird über eine Auflageschiene 14 langsam in das Schmelzebad 10 geführt, wobei es im oberen Badbereich aufschmilzt. 10
Die Badoberfläche 15 wird durch ein Schutzgas 16 vor Abbrand und Oxidation geschützt. Das Schutzgas 16 steht ständig unter einem geringen Überdruck.
Ein Füllstandssensor 17 mißt die Höhe der Badoberfläche 15 und löst bei Überschreiten eines Minimalwertes das Nachchargieren der Vorschubeinrichtung 3 aus.
Die Verbindung zu einer Gießeinrichtung, zum Beispiel der Füllkammer einer Druckgießmaschine, erfolgt durch ein Steigrohr 18. Das Steigrohr 18 ist ebenfalls beheizt durch eine Heizein- richtung 19, die mittels eines Thermoelements 20 und eines Reglers 21 geregelt wird und eine gewünschte Gießtemperatur in der Schmelze einstellt.
Der Dosierofen ist mit einer Isolation 22 vor großen Abstrahlverlusten nach außen geschützt. Bei einem Leck im Tiegel 9 fließt die Schmelze in eine den Tiegel 9 umgebende Auffangwanne 23.
Der Gasdruck im Schutzgas 16 über der Badoberfläche 15 wird mit einem Gasdrucksensor 24 gemessen und mit einem Gasdruckregler 25 über das Gasregelventil 26 geregelt, wobei dem Gasdruckregler 25 die mit dem Füllstandssensor 17 gemessene Höhe der Badoberfläche 15 aufgeschaltet wird, da der Gasdruck über der Badoberfläche 15 von dieser beeinflußt wird.
Vor dem Dosieren der Schmelze zu einer nachgeschalteten Gießeinrichtung 27 liegen also immer eine bestimmte Höhe der Badoberfläche 15, ein von dieser abhängiger Gasdruck im Schutzgas 16 und eine gewünschte Schmelzetemperatur vor.
Beim Dosieren der Schmelze wird nun der Gasdruck entsprechend der Dosiermenge und der Förderhöhe zur Gießeinrichtung erhöht, und zwar um möglichst genau die Druckdifferenz, die der Höhendifferenz zwischen dem Badspiegel und einem Füllstandssollwert in der Gießeinrichtung entspricht.
Die Dosiergenauigkeit kann gegebenenfalls noch durch Rückmeldung von einem Füllstandssensor in der Gießeinrichtung an den Gasdruckregler 25 erhöht werden.
Vor dem Dosieren wurde die Gießeinrichtung 27 ebenfalls mit Schutzgas 16 befüllt, so daß der gesamte Dosier- und Gießprozeß unter Schutzgas erfolgt. 11
Figur 2 zeigt einen Dosierofen mit induktiv beheiztem Tiegel 9. Die Schmelze gelangt über ein senkrechtes und im wesentlichen über den Dosierofen beheiztes Steigrohr 18 an die Schnittstelle zur Gießeinrichtung 27, so daß die zusätzliche Heizeinrichtung 19 entsprechend geringer dimen- sioniert werden kann.
Nach dieser Variante wird die Höhe des Füllstandes der Schmelze im Steigrohr 18 mittels eines Füllstandssensors 56 gemessen und über den Gasdruck im Dosierofen so geregelt, daß er vor jedem Zufuhren von Schmelze zur Gießeinrichtung etwa gleich ist.
Eine Induktionsheizung 28 wird mittels Temperatursensor 12 und die Heizleistungsregelung 13 geregelt und läßt durch eine variable Frequenz und die Ansteuerung unabhängiger Spulen eine flexible Leistungseinbringung zu. Durch die induktive Kraftwirkung wird eine gute Durchmischung des Schmelzebades 10 erreicht, wodurch Seigerungen und Ablagerungen am Boden des Tiegels 9 sicher vermieden werden.
Der Tiegel 9 wird mit Hilfe einer keramischen Zwischenschicht 29 abgestützt, die zusätzlich einen guten Schutz bei einem Tiegelleck bietet.
Das in diesem Falle masselförmige Legierungsmaterial 1 wird mittels einer separaten Heizeinrichtung 6 auf eine definierte Temperatur vorgewärmt.
Die Masseln (gegebenenfalls mehrere nebeneinander) werden linear in die Schleuse 30 eingeschoben. Dabei steht ein Schieberzylinder 31 in der unteren Lage, so daß ein Schieber 32 öffnet und ein Schieber 33 schließt.
Nach dem Einschieben der Masseln in eine zwischen den Schiebern 32 und 33 gebildete Materialkammer 36 wird durch eine kurze Schutzgasspülung die mit den Masseln eingebrachte Luft nach außen verdrängt.
Dann fährt der Schieberzylinder 31 in seine Mittellage, bei der beide Öffnungen der Schieber 32 und 33 geschlossen sind. 12
In der Schleuse 30 wird der Druck mit Hilfe eines Gasdruckreglers 34 und einem Gasdruckventil 35 für die Schleuse 30 auf das gleiche Niveau wie im Ofenraum angehoben. Der Schieberzylinder 31 fährt in die obere Stellung, so daß der Schieber 33 geöffnet wird. Die Vorschubeinrichtung 3 schiebt die Massel auf der Auflageschiene 14 in die Schmelzzone an der Badoberfläche 15.
Dann fährt der Schieberzylinder 31 zurück in die Mittelstellung, der Überdruck in der Schleuse 30 wird wieder abgebaut, wobei das Schutzgas 16 zurückgewonnen werden kann.
Zur schnellen Beschickung des Dosierofens, zum Beispiel nach längerem Abschalten oder nach Störungen, kann die gesamte Schleuse 30 von einem Befestigungsflansch abgekoppelt werden, so daß sehr schnell Masseln in den drucklosen Ofen eingebracht werden können. Die Geometrie der Schleuse 30 ist so gestaltet, daß im oberen Teil heißes Schutzgas 16 eingefangen bleibt und beim Einschieben der Masseln nur eine kleine Menge Luft von außen eingeschleppt wird.
Die Regelung der Prozeßparameter und das Dosieren erfolgen in ähnlicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1.
Figur 3 zeigt die Kopplung der Regelkreise für die Temperatur Tm, Tn des Legierungsmaterials 1, die Schmelzetemperatur Ts, die Gießtemperatur Tg, die Badhöhe H und den Gasdruck Pg des Schutzgases 16 für die Ausführung nach Fig. 1. Die Übergangsfünktionen sind allgemein mit F gekennzeichnet.
Die Schmelze im Schmelzebad 10, vermindert um die Dosiermenge md, bestimmt die Badhöhe H der Badoberfläche 15, die durch Zuführung einer Chargiermenge m eines festen oder eine Chargiermenge fl eines flüssigen Legierungsmaterials 1 mittels eines Mengenreglers, im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels der Vorschubeinrichtung 3 für zum Beispiel stangenförmi- ges Legierungsmaterial 1 gemäß Figur 1, innerhalb vorgegebener Grenzwerte geregelt wird.
Als Störgröße auf die Badhöhe H wirkt dabei die sich stark ändernde Schmelzetemperatur Ts, die eine unterschiedliche Ausdehnung des Schmelzebades 10 bewirkt.
Die Schmelzetemperatur Ts wird deshalb innerhalb enger Grenzen mittels des Heizleistungsreglers 13 geregelt. 13
Die Badhöhe H beeinflußt den Gasdruck Pg des Schutzgases 16 im Ofenraum. Dieser wird mit dem Gasdrucksensor 24 gemessen und über das Gasregelventil 26 und den Gasdruckregler 25 geregelt, wobei eine Störgrößenaufschaltung in der Weise vorgenommen wird, daß der Schmel- zestand im Steigrohr 18 unabhängig von der Badhöhe H des Schmelzebades 10 im Tiegel 9 vor jedem Dosiervorgang gleich ist. Zum Dosieren mittels Schmelzeverdrängung im Schmelzbad 10 und Fördern durch das Steigrohr 18 wird der Gasdruck Pg dann zeitweise entsprechend der benötigten Förderhöhe zur Gießeinrichtung 27 und der Dosiermenge md erhöht.
Die Dosiergenauigkeit kann durch Rückmeldung der dosierten Schmelzemenge md an den Gasdruckregler 25 erhöht werden.
Als Störgröße auf den Gasdruck Pg im Ofenraum wirkt auch hier die Schmelzetemperatur Ts, so daß möglichst geringe Schwankungen der Schmelzetemperatur Ts erwünscht sind.
Die Gießtemperatur Tg kann vor oder nach der Schnittstelle zur Gießeinrichtung 27 gemessen werden und wird durch den Regler 8 der Heizeinrichtung 19 genau eingestellt, wobei Eingangsgröße die Schmelzetemperatur Ts im Schmelzebad 10 ist. Diese ergibt sich im Schmelzebad 10 als komplexe Funktion F aus der eingebrachten Wärmeenergie, abhängig von der geregelten Heizleistung der Temperatur Tm bzw. T« des Legierungsmaterials 1 sowie den eingesetzten Chargiermengen m oder fl.
Die Temperatur Tm des festen Legierungsmaterials 1 wird mit der durch den Regler 8 geregelten Heizung im Vorwärmprozeß, ausgehend von der Umgebungstemperatur Tmo, eingestellt.
Figur 4 zeigt im Seitenschnitt ein Transportgefäß 37, aus dem das Schmelzebad 10 unterhalb der Badoberfläche 15 über ein Einfüllrohr 38 mit einem Schmelzequantum flüssig nachchangiert werden kann. Dazu wird ein Förderkanal 39 aus dem Transportgefäß 37 durch eine lösbare Kupplung 40 mit dem Einfüllrohr 38 dicht verbunden. Mit Hilfe des Förderdruckreglers 41 kann so lange flüssig nachchargiert werden, bis der Füllstandssensor 17 im Schmelzebad 10 des Dosierofens bei maximaler Badhöhe H abschaltet. 14
Das Tansportgefäß 37 kann mit einem wiederstandsbeheizten Tauchheizkörper 42 mit Hilfe einer Heizungsregelung 43 und einem Thermoelement 44 auf einer definierten Temperatur TA gehalten werden.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für das Zusammenwirken des Dosierofens mit einer nachgeordneten Druckgießeinrichtung. In dem druckfest gekapselten Tiegel 9 eines Dosierofens wird eine bestimmte Menge Magnesium aufgeschmolzen. Der Tiegel 9 ist über das Steigrohr 18, das im unteren Bereich des Schmelzebades 10 ansetzt, mit der Füllkammer 45 einer Druckgießmaschine verbunden, an die sich eine Druckgießform 46 anschließt.
Der Raum über dem Schmelzebad 10 ist mit Argon gefüllt, das aus einem Vorratsgefaß 47 entnommen wird. Die Füllkammer 45 und die Druckgießform 46 sind ebenfalls mit Argon befüllt.
Zunächst herrscht in der Füllkammer 45 und im Dosierofen gleicher Gasdruck, so daß der Schmelzespiegel im Steigrohr 18 unterhalb der Eingangsöffnung der Füllkammer 45 stehen bleibt. Zum Füllen der Füllkammer 45 wird der Gasdruck im Dosierofen erhöht, so daß das Argon von der Füllkammer 45 in die Druckgießform 46 verdrängt wird. Beim anschließenden Schuß fährt der Kolben der Druckgießmaschine zunächst über die Mündung des Steigrohres 18 in der Füllkammer 45, wonach der Gasdruck im Dosierofen mindestens so weit zurückgenom- men wird, bis der Schmelzestand im Steigrohr 18 seinen Ausgangszustand wieder erreicht hat. Durch den Kolben wird die Schmelze dann in die Druckgießform 46 befördert und das Argon aus der Druckgießform 46 verdrängt, wobei die Füllkammer 45 nach erfolgtem Schuß sofort wieder mit Argon gefüllt wird, so daß der Badspiegel im Steigrohr 18 nicht mit Luft in Berührung kommt. Nach Entnehmen des Gußteils aus der Druckgießform 46 wird diese auch wieder mit Argon gefüllt.
Sämtliche Regelvorgänge werden von einer zentralen Ofensteuerung 48 übernommen, die zur Übergabe von Prozeßparametern außerdem über eine Signalleitung 50 mit einer zentralen Steuerung 49 der Druckgießmaschine verbunden ist.
Die zentrale Ofensteuerung 48, die durch eine speicherprogrammierbare Steuerung realisiert werden kann, steuert den zeitlichen Ablauf aller Vorgänge sehr flexibel, z. B. durch einprogrammierte „wenn - dann" -Bedingungen, so daß in der Einrichtephase, wenn Gußteilgewicht, Erstarrungszeiten, Formschließzeiten, Chargierzeiten, Masselformate, Dosierzeiten, benötigte 15
Förderhöhe etc. festliegen, individuell eine Abstimmung der einzelnen Regelkreise getroffen werden kann.
Z.B. lassen sich folgende Abläufe regeln:
1) Nach jedem bzw. jedem x-ten Dosiervorgang wird ein Chargiervorgang ausgelöst.
2) Nach jedem Chargiervorgang wird die Heizleistung für das Schmelzebad 10 erhöht.
3) Nach Erreichen einer bestimmten Schmelzetemperatur Ts wird für einen bestimmten Zeitraum das Nachchargieren gesperrt.
4) Bei wiederholt zu geringer Dosiermenge wird die Produktion unterbrochen und eine Referenzfahrt durchgeführt.
5) Mit dem Öffnen der Form wird ein Chargiervorgang ausgelöst, sofern der Badspiegel nicht über dem Maximalwert liegt oder die Schmelzetemperatur Ts zu niedrig ist.
Fig. 6 zeigt eine Variante der Kopplung zwischen Druckgießmaschine und Steigrohr 18. Kurz unter der Mündung des Steigrohrs 18 befindet sich eine Vorkammer 51, die über einen Verbindungskanal 53 mit der Füllkammer 45 verbunden ist. Und zwar mündet der Verbindungskanal 53 so in die Füllkammer 45, daß zuviel dosierte Schmelze automatisch in die Vorkammer 51 zurückfließt, nachdem der Kolben der Druckgießmaschine die Mündung des Steigrohres 18 überfahren hat, wobei in diesem Augenblick der Gasdruck im Dosierofen zurückgenommen wird. Die Mündung des Verbindungskanals 53 in der Füllkammer 45 muß deshalb an einer Stelle plaziert werden, an der die Füllstandshöhe möglichst exakt der Dosiermenge eines Schusses entspricht.
In Fig. 7 ist eine weitere Variante der Kopplung zwischen Druckgießmaschine und Steigrohr 18 dargestellt. Das Steigrohr 18 ist mit einer beheizten, in sich geschlossenen Vorkammer 51 über eine Überlaufkante 54 verbunden. Das Volumen der Vorkammer 51 entspricht in diesem Fall genau einer Schußmenge. Ein von der Füllkammer 45 der Druckgießmaschine ausgehendes Rohr 52 taucht in die Vorkammer 51 ein. Die Ankopplung an die Füllkammer 45 ist somit etwas flexibel. Das Füllen der Füllkammer 45 erfolgt mittels Erzeugen einer Druckdifferenz zwischen der 16
Vorkammer 51 und der Füllkammer 45 über eine Schutzgasleitung 55, nachdem der Gasdruck im Dosierofen zurückgenommen wurde.

Claims

17Ansprüche
1. Verfahren zum Verarbeiten einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetall- schmelze, mittels eines gekapselten, mit Schutzgas beaufschlagten Dosierofens, der über ein Steigrohr mit einer Gießmaschine oder -form verbunden ist, die mit einer quantifizierbaren Schmelzemenge mittels Druckbeaufschlagung des Schutzgases im Dosierofen beschickt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die einem Bruttoabguß entsprechende Schmelzemenge der angekoppelten Gießmaschine oder -form mittels Erhöhung des Gasdrucks im Dosierofen zugeführt wird, wobei die Erhöhung des Gasdrucks der Höhendifferenz zwischen dem Badspiegel der Schmelze und einem Füllstandsollwert in der Gießmaschine oder -form entspricht, daß im Dosierofen die Temperatur der Schmelze gemessen und auf einen voreingestellten Temperaturwert geregelt wird, daß der Schmelzestand im Steigrohr und/oder die Badhöhe der Schmelze im Dosierofen gemessen und zwischen voreingestellten Grenzwerten geregelt wird und daß der Gasdruck im Schutzgas im Dosierofen so geregelt wird, daß der Schmelzestand im Steigrohr unabhängig von der Badhöhe im Dosierofen vor jedem Zuführen von Schmelze zur Gießmaschine oder -form im wesentlichen gleich ist, wobei die Dosiermenge und die Gießtemperatur mittels der zugeführten Heizleistungen, der Menge des zugeführten Chargiermaterials und der entnommenen Schmelzemenge als Stell- und Störgrößen zwischen wählbaren Grenzwerten gehalten werden, und daß der Gießprozeß in der Gießmaschine oder -form unter Schutzgas erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck des Schutzgases im Dosierofen gemessen und in Abhängigheit von der Badhöhe der Schmelze im Dosierofen nach einer voreingestellten Funktion geregelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Gießmaschine oder -form zugeführte Schmelze im Steigrohr beheizt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Schmelze im Steigrohr gemessen und über die am Steigrohr zugeführte Heizleistung auf einen voreingestellten Temperaturwert geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß das zugeführte Chargiermaterial vor dem Einbringen in den Dosierofen vorerwärmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des vorerwärmten Chargiermaterials gemessen und über die bei der Vorerwärmung zugeführte Heizleistung auf einen voreingestellten Temperaturwert geregelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze induktiv beheizt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung frequenzgeregelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß der Badspiegel der Schmelze bei Chargierung mit festem Legierungsmaterial zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert so geregelt wird, daß das Schmelzevolumen höchstens um ca. 2% schwankt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Badspiegel der Schmelze bei Chargierung mit flüssigem Legierungsmaterial zwischen einem Maximalwert und Minimalwert so geregelt wird, daß das Schmelzevolumen höchstens um 50% schwankt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck im Dosierofen ständig über dem äußeren Atmosphärendruck gehalten wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß festes Legierungsmaterial bei der Chargierung im oberen Bereich der Schmelze festgehalten wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze stets entgegen der Schwerkraft gefordert wird. 19
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum zeitlich vom Gießprozeß unabhängigen Dosieren eine an der Gießmaschine oder -form anzuordnende Vorkammer mit der Schmelze gefüllt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzgas Argon verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Regelkreise in einer programmierbaren Steuerung vernetzt werden.
17. Gekapselter und mit Schutzgas beaufschlagter Dosierofen, der über ein Steigrohr (18) mit einer Gießmaschine oder -form (27) verbunden und mit einer Heizeinrichtung (11, 28) versehen ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Nachchargierung mit festem oder flüssigem Chargiermaterial (1), ein über einen Regler (13) auf die Heizeinrichtung (11, 28) einwirkendes Thermoelement (12) zur Messung der Temperatur (Ts) der Schmelze und einen über einen Regler (3) auf die Einrichtung zur Nachchargierung einwirkenden Füllstandssensor (17) für die Badhöhe (H) der Schmelze und/oder einen über einen Regler (25) auf einen Druckerzeuger für das Schutzgas (16), im Fall des Fehlens eines Füllstandssensors (17) auch auf den Regler (3) für die Nachchargierung einwirkenden Drucksensor (24) im Dosierofen und/oder Füllstandssensor (56) am Steigrohr (18).
18. Dosierofen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler (25) die mit dem Füllstandsensor (17) gemessene Badhöhe (H) der Schmelze als Störgröße aufgeschaltet ist.
19. Dosierofen nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Nachchargierung mit festem Chargiermaterial (1) eine mit einer schlauchförmigen Dichtung (4) versehenen Schleuse (5) und einen mit dem Füllstandsensor (17) zusammenwirkenden Vor- schubantrieb (3) für das Chargiermaterial (1) aufweist.
20. Dosierofen nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Nachchargierung mit festem Chargiermaterial (1) eine Schleuse (30) mit einer durch einen Schieberzylinder (31) verschiebbaren Materialkammer (36), an deren offenen Enden in einer 20 oberen und unteren Position der Materialkammer (36) wechselweise öffnende und schließende Schieber (32, 33) befestigt sind, und mit einem über einen Wegsensor (2) gesteuerten Vorschubeinrichtung (3) für die obere Position der Materialkammer (36) und eine Gasdruckregeleinrichtung (34, 35) aufweist.
21. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß er eine teilweise in die Schmelze eintauchende, mit der Schleuse (5, 30) verbundene Auflageschiene (14) für die selbsthemmende Auflage von festem Chargiermaterials (1) aufweist.
22. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleuse (5, 30) mit einer temperaturgeregelten Heizeinrichtung (6) für das Chargiermaterial (1) ausgerüstet ist.
23. Dosierofen nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Nachchargierung mit flüssigem Chargiermaterial (1) aus einem an ein Einfüllrohr (38) des Dosierofens ankoppelbaren Schmelzegefäß (37) besteht, das mit einer mit dem Füllstandsensor (17) zusammenwirkenden Fördereinrichtung für die Schmelze ausgerüstet ist.
24. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Steig- röhr (18) mit einer temperaturgeregelten Heizeinrichtung (19) für die Schmelze ausgerüstet ist.
25. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (9) des Dosierofens aus Stahl besteht.
26. Dosierofen nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahltiegel (9) in einer Schmelzeauffangwanne (23) angeordnet ist.
27. Dosierofen nach einem der Ansprüche 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß er induktiv beheizt und der Stahltiegel (9) mit Feuerfestmaterial (29) in die Induktionsheizung (28) eingestampft ist.
28. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (18) ein Fassungsvolumen von mindestens einem Bruttoabguß hat. 21
29. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (18) einen Innendurchmesser von mindestens 30 mm hat.
30. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Steig- röhr (18) direkt von unten mit der Füllkammer (45) einer Druckgießmaschine oder der Druckgießform (46) verbunden ist.
31. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (18) in eine Vorkammer (51) mündet, welche über ein kurzes Rohr (52) mit der Füllkammer (45) der Druckgießmaschine verbunden ist.
32. Dosierofen nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (51) eine Überlaufkante (54) aufweist.
33. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (18) von unten mit der Füllkammer (45) einer Druckgießmaschine verbunden ist und einen zweiten, in Höhe der beabsichtigten Füllstandhöhe in die Füllkammer mündenden Verbindungskanal (53) hat.
34. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale Steuerung (49) der Druckgießmaschine zur Übergabe von Prozeßparametern über eine Signalleitung (50) mit einer zentralen Ofensteuerung (48) verbunden ist.
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