DE102009004613A1

DE102009004613A1 - Reservoir für flüssiges Gussmaterial, insbesondere Stopfenpfanne, sowie Verfahren zum Befüllen einer Stopfenpfanne

Info

Publication number: DE102009004613A1
Application number: DE102009004613A
Authority: DE
Inventors: Jörg Willimayer; Timo Dr. Hanss
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: DE102009004613B4

Abstract

Reservoir, insbesondere Stopfenpfanne für flüssiges Gussmaterial, mit - mindestens einer in einem unteren Bereich des Reservoirs vorgesehenen Öffnung und - einem der mindestens einen Öffnung zugeordneten Stopfen, der in einer Längsrichtung des Stopfens relativ zu der Öffnung verstellbar ist, wobei die Öffnung in einer ersten Stellung des Stopfens durch ein Ende des Stopfens fluiddicht verschlossen und in einer zurückgefahrenen Stellung des Stopfens geöffnet ist, so dass über die Öffnung flüssiges Gussmaterial aus dem Reservoir abfließen bzw. in das Reservoir einströmen kann, und - einer Spüleinrichtung, mittels der der Stopfen und/oder die Öffnung mit einem Gas umspült werden kann bzw. können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reservoir, insbesondere eine Stopfenpfanne, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Befüllen einer Stopfenpfanne gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 12.
So genannte ”Stopfenverschlüsse” sind in der Gießereitechnik seit langem weit verbreitet. Stopfenverschlüsse werden beispielsweise bei Stranggussanlagen im Verteiler eingesetzt, bei Kontaktgießanlagen im Gießlöffel, in Gießpfannen sowie in verschiedensten Gießofenausführungen. Die primäre Aufgabe eines Stopfenverschlusses ist es, Schmelze kontinuierlich oder diskontinuierlich zu dosieren.
Ein Stopfenverschluss besteht aus einem Lochstein, der z. B. im Boden eines Reservoirs (z. B. Stopfenpfanne, Vorratstiegel o. ä.) vorgesehen ist, und einem verschieblich angeordneten Stopfen, der mit dem Lochstein zusammenwirkt. Als Werkstoff für den Stopfen und den Lochstein werden üblicherweise harte Materialien verwendet, wie z. B. technische Keramikmaterialien oder Hartmetall, die den hohen Temperaturen der Schmelze widerstehen und über viele Schließ- und Öffnungszyklen verschleißbeständig sind.
In einer ersten Stellung des Stopfens verschließt ein Ende des Stopfens den Lochstein und somit das Reservoir. Fährt man den Stopfen ”zurück” bzw. hebt man den Stopfen an, so gibt dieser einen Strömungsquerschnitt frei, so dass Schmelze über den Lochstein aus dem Reservoir abfließen bzw. bei entsprechenden Druckverhältnissen in das Reservoir einströmen kann.
Für einen Gießvorgang muss zunächst die Stopfenpfanne mit Schmelze befüllt werden. Zum Befüllen der Stopfenpfanne wird der Stopfen in seine Öffnungsstellung zurückgefahren bzw. angehoben und anschließend wird die Stopfenpfanne in einen Schmelztiegel eines Schmelzofens eingetaucht. Flüssiges Gussmaterial bzw. Schmelze kann dann über den im Boden der Stopfenpfanne vorgesehenen Lochstein in die Stopfenpfanne strömen. Zusätzlich kann auch über einen Schlitz befüllt werden. Ist die Stopfenpfanne gefüllt, so wird der Stopfen in seine Schließstellung abgesenkt und die Stopfenpfanne wird aus dem Schmelztiegel herausgehoben. Anschließend wird die Stopfenpfanne zu einem Gießplatz transportiert und über der Gussform (z. B. Kokille) positioniert. „Positionieren” bedeutet, dass der Lochstein bzw. ein ggf. unterhalb des Lochsteins angeordnetes Dosierrohr mittig am „Speiser” bzw. Gießsystem der Gussform ausgerichtet wird. Durch Anheben des Stopfens kann die Schmelze dann in die Gussform abgelassen werden.
Ein Stopfenverschluss dichtet nur dann einwandfrei ab, wenn der Außenumfang des Stopfens und der Innenumfang des Lochsteins einander möglichst exakt entlang einer vorgegebenen Berührfläche bzw. Berührlinie berühren. Bislang nicht zu vermeiden ist, dass sich Schlackepartikel oder Metalloxide auf den Dichtflächen des Stopfens und/oder des Lochsteins anlagern, was zur Undichtigkeit des Stopfenverschlusses führen kann. Insbesondere Stopfenpfannen, die durch eine im Boden der Stopfenpfanne vorgesehene verschließbare Öffnung befüllt und entleert werden, neigen zu Oxidanlagerungen im Bereich des Stopfenverschlusses, da der Stopfen verschluss nach dem Befüllen der Stopfenpfanne und nach dem Entleeren der Stopfenpfanne jedes Mal dem in der Umgebungsluft enthaltenen Sauerstoff ausgesetzt ist. Bereits Anlagerungen von wenigen um Dicke können zu einer Undichtigkeit des Stopfenverschlusses führen.
Bei vielen technisch anspruchsvollen Anwendungen, wie z. B. beim Gießen von Zylinderköpfen für Fahrzeugmotoren, sind tropfende Stopfenverschlüsse nicht tolerierbar. Schmelzetropfen können aber nicht nur von der Undichtigkeit eine Stopfenverschlusses herrühren. Es kann auch sein, dass beim Herausheben der gefüllten Gießpfanne aus dem Schmelztiegel des Ofens an der Unterseite des Schmelztiegels im Bereich des Lochsteins Schmelzetropfen haften bleiben, die während des Transports der Gießpfanne zur Schmelzform oder bei der Positionierung der Stopfenpfanne über der Gussform in die Gussform tropfen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Reservoir, insbesondere eine Stopfenpfanne zu schaffen, deren Stopfenverschluss über viele Öffnungs-/Schließzyklen dicht ist und bei der ganz generell die Gefahr, dass am Stopfenverschluss Schmelze abtropft, minimiert wird. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zum Befüllen einer Stopfenpfanne anzugeben, bei dem Gefahr des Abtropfens von Schmelze minimiert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Reservoir, insbesondere eine Stopfenpfanne für flüssiges Gussmaterial bzw. Schmelze. Im unteren Bereich bzw. im Boden des Reservoirs ist mindestens eine Öffnung vorgesehen, die durch ein separates Bauteil, einen sogenannten ”Lochstein”, gebildet sein kann.
Der Öffnung ist ein Stopfen zugeordnet, der in Längsrichtung des Stopfens bzw. senkrecht zum Strömungsquerschnitt der Öffnung verstellbar bzw. verfahrbar angeordnet ist. In einer ersten Stellung des Stopfens, die im Folgenden auch als „Schließstellung” bezeichnet wird, sitzt ein Ende des Stopfens auf der Öffnung bzw. auf einem Innenumfang der Öffnung auf und verschließt diese. In einer zurückgefahrenen Stellung des Stopfens gibt dieser einen entsprechenden Strömungsquerschnitt der Öffnung frei. In dieser Stellung kann flüssiges Gussmaterial aus dem Reservoir abgelassen werden bzw. über die Öffnung in das Reservoir einströmen.
Um die Entstehung von Oxiden und/oder die Anlagerung von Schlackepartikeln am Stopfenverschluss zu vermeiden, muss verhindert werden, dass nach dem Befüllen der Stopfenpfanne an der Außen- bzw. Unterseite des Stopfenverschlusses, der dann nicht mehr in die Schmelze eingetaucht ist, „Schmelzereste” verbleiben.
Gemäß der Erfindung wird dies durch eine ”Spüleinrichtung” erreicht, mittels der der Bereich des Stopfenverschlusses bzw. um den Stopfenverschluss herum mit einem Inertgas wie z. B. Stickstoff, umspült werden kann. Das Umspülen mit Inertgas kann bereits während des Befüllvorgangs erfolgen, d. h. während die Stopfenpfanne in den Schmelztiegel eingetaucht ist und von unten her Schmelze in die Stopfenpfanne einströmt. Vorzugsweise wird der Stopfenverschluss während des gesamten Befüllvorgangs mit Gas umspült.
Ein wesentlicher Teil der ”Spüleinrichtung” kann durch einen im Innern des Stopfens vorgesehenen „Hohlraum” gebildet sein, der im oberen oder mittleren Bereich des Stopfens eine Zuströmöffnung für Gas aufweist und der im Bereich des der Öffnung bzw. dem Lochstein zugewandten Endes des Stopfens eine Auslassöffnung für Gas aufweist. Der Hohlraum kann durch einen in dem Stopfen vorgesehenen sacklochartigen Kanal gebildet sein, dessen unteres, d. h. dem Lochstein zugewandtes Ende offen ist und der in seinem mittleren oder oberen Bereich eine Zuströmöffnung aufweist, über die Inertgas in den Kanal gepumpt wird. Das in den Kanal gepumpte Inertgas strömt im Kanal nach unten und tritt an dem nach unten offenen Ende des Stopfens aus dem Stopfen aus. Ist das Reservoir in Schmelze eingetaucht, so bilden sich dort Inertgasblasen, die den Stopfen und den Lochstein umspülen und in der Schmelze nach oben steigen.
Der ”Spülvorgang” kann während des gesamten Befüllvorgangs der Stopfenpfanne durchgeführt werden. Vorzugsweise wird auch nach dem Schließen des Stopfens und während des Heraushebens der Stopfenpfanne aus dem Schmelztiegel sowie auch noch nach dem Herausheben der Stopfenpfanne aus dem Schmelztiegel weiter mit Inertgas ”gespült”, wodurch sich Schmelzetropfen an der Unterseite des Stopfenverschlusses zuverlässig verhindern lassen werden. Ein ”Tropfen” des Stopfenverschlussen kann somit ursächlich vermieden werden.
Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass das Reservoir bzw. die Stopfenpfanne auch mehrere Öffnungen mit jeweils einem zugeordneten Stopfen aufweisen kann. Beim Gießen von Zylinderköpfen werden beispielsweise Stopfenpfannen eingesetzt, bei denen nebeneinander mehrere Stopfenverschlüsse vorgesehen sind, über die dann simultan Schmelze in die Gießform (Kokille) eingefüllt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine schematische Darstellung einer Stopfenpfanne gemäß der Erfindung;
2–4: den Befüllvorgang der in 1 gezeigten Stopfenpfanne und
5 eine Gießanlage mit Schmelztiegel, verfahrbarer Stopfenpfanne und Kokille.
1 zeigt eine Stopfenpfanne 1, in deren Boden eine durch einen sogenannten Lochstein 3 gebildete Öffnung 4 vorgesehen ist. Bei dem Lochstein kann es sich um eine separate, z. B. aus einer Keramik oder aus einem Hartmetall hergestellte Komponente handeln. Von unten her schließt sich an die Öffnung 4 ein Dosierrohr 5 an.
Im Innern der Stopfenpfanne 1 ist ein zylinderartiger Stopfen 6 angeordnet. Mittels einer hier nicht näher dargestellten Öffnungs-/Schließvorrichtung kann der Stopfen 6 in Längsrichtung 7 relativ zu der Stopfenpfanne 1 verfahren werden. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Stopfen 6 drehbar um die Längsrichtung 7 angeordnet ist, was durch den Pfeil 8 angedeutet ist.
Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der eigentliche Stopfenverschluss durch eine konisch in Richtung zu der Öffnung 4 zulaufende Innenseite 9 des Lochsteins 3 und eine damit zusammenwirkende, ebenfalls konisch zulaufende Mantelfläche 10 des Endes des Stopfens 6 gebildet. Im geschlossenen Zustand des Stopfenverschlusses berühren die Innenseite 9 und die Mantelfläche 10 einander entlang einer Umfangslinie bzw. entlang einer ringförmigen Konusfläche.
Wie aus 1 ersichtlich ist, ist in dem Stopfen 6 ein nach unten offener Kanal 11 vorgesehen. Im oberen Bereich des Kanals 11 ist eine Zuströmöffnung 12 vorgesehen, über die ein Inertgas in den Kanal 11 eingeleitet werden kann. Das eingeleitete Inertgas strömt in dem Kanal 11 nach unten und tritt in der in 1 gezeigten Öffnungsstellung des Stopfens am unteren Ende des Stopfens 6 aus und umspült dabei den Lochstein 3 und den Außenumfang des Stopfens 6, insbesondere dessen unteres Ende.
2 zeigt den Befüllvorgang der in 1 gezeigten Stopfenpfanne. Die Stopfenpfanne 1 wird bei geöffnetem, d. h. angehobenem Stopfen 6 in einen Schmelztiegel 13 eingetaucht. Über das Dosierrohr 5 und den geöffneten Stopfenverschluss strömt von unten her Schmelze in die Stopfenpfanne 1 ein, bis sich in der Stopfenpfanne 1 derselbe Schmelzespiegel 14 einstellt, wie im Schmelztiegel 13.
Während des gesamten Befüllvorgangs wird der Stopfenverschluss mit Gas umspült, das über die Zuströmöffnung 12 eingeleitet und im Kanal 11 nach unten zum Stopfenverschluss strömt. Durch die kontinuierliche Umspülung des Stopfenverschlusses, d. h. des unteren Endes des Stopfens 6 und des Lochsteins 3 (vgl. 1), wird verhindert, dass Schmelze in den Kanal 11 eintritt und diesen verschließt. Beim Austritt des Inertgases an der Unterseite des Stopfens 6 bilden sich in der Schmelze Inertgasblasen, die auf den Lochstein 3 (vgl. 1) auftreffen und den Stopfen 6, insbesondere dessen unteres Ende, pulsierend umspülen, was dazu führt, dass eventuelle Ablagerungen am Stopfen bzw. am Lochstein sofort ”abgespült” werden.
Wenn sich, wie in 2 gezeigt, die Stopfenpfanne mit Schmelze gefüllt hat, wird der Stopfen 6 in die in 3 gezeigte Schließstellung gefahren. Ein Außenumfang des unteren Endes des Stopfens 6 und ein Innenumfang des Lochsteins 3 berühren einander hierbei linienförmig oder entlang einer konischen Ringfläche. Die Stopfenpfanne 1 ist dann durch den Stopfen 6 dicht verschlossen und kann aus dem Schmelztiegel 13 herausgehoben werden. Dabei wird weiterhin der Kanal 11 gespült, wobei das Inertgas nun über das Dosierrohr 5 nach unten strömt und am unteren Ende des Dosierrohrs unter Blasenbildung in die Schmelze und weiter in der Schmelze nach oben strömt.
Beim Schließen des Stopfens 6 wird der Austritt der Stopfenbohrung bzw. der Öffnung 4 durch den Dichtsitz von der Schmelze im Innern der Stopfenpfanne 1 separiert. Das Inertgas drückt dann die bislang noch im Dosierrohr 5 vorhandene Schmelze nach unten aus dem Dosierrohr heraus. Da der Stopfenverschluss zu diesem Zeitpunkt noch nicht mit dem Luftsauerstoff in Berührung gekommen ist, können sich an der Außen- bzw. Unterseite des Stopfenverschlusses auch keine Oxide bilden.
Wird nun die Stopfenpfanne 1 aus dem Schmelztiegel 13 herausgezogen, so sorgt das weiterhin pulsierend in Blasen austretende Inertgas für ein Ablösen eventueller an der Außenseite des Dosierrohrs 5 vorhandener Ablagerungen. Gleichzeitig wird verhindert, dass erneut Schmelze in das Dosierrohr 5 eintreten kann.
Nach dem Herausheben der Stopfenpfanne 1 aus dem Schmelztiegel 13 wird die Stopfenpfanne 1 mittels einer Transporteinrichtung 15, wie sie z. B. in 5 dargestelltist, zu einer Gussform bzw. Kokille 16 transportiert. Das Dosierrohr 5 wird dabei über einem Speiser 17 der Kokille 16 ausgerichtet. Durch nach Obenverfahren des Stopfens 6 kann die in der Stopfenpfanne 1 enthaltene Schmelze in die Gussform ”abgelassen” werden.

Claims

Reservoir (1) für flüssiges Gussmaterial, insbesondere Stopfenpfanne, mit – mindestens einer in einem unteren Bereich des Reservoirs (1) vorgesehenen Öffnung (4) und – einem der mindestens einen Öffnung (4) zugeordneten Stopfen (6), der in einer Längsrichtung (7) des Stopfens (6) relativ zu der Öffnung (4) verstellbar ist, wobei die Öffnung (4) in einer ersten Stellung des Stopfens (6) durch ein Ende (10) des Stopfens (6) fluiddicht verschlossen und in einer zurückgefahrenen Stellung des Stopfens (6) geöffnet ist, so dass über die Öffnung (4) flüssiges Gussmaterial aus dem Reservoir (1) abfließen bzw. in das Reservoir (1) einströmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spüleinrichtung (11, 12) vorgesehen ist, mittels der der Stopfen (6) und/oder die Öffnung (4) mit einem Gas umspült werden kann bzw. können.
Reservoir (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (6) zumindest teilweise innerhalb des Reservoirs (1) angeordnet ist und bei gefülltem Reservoir (1) zumindest teilweise in das flüssige Gussmaterial eingetaucht ist.
Reservoir (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern des Stopfens (6) ein Hohlraum (11) vorgesehen ist, der eine Zuströmöffnung (12) für Gas aufweist und der im Bereich des der Öffnung (4) zugewandten Endes (10) des Stopfens (6) eine Auslassöffnung für Gas aufweist.
Reservoir (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (11) durch einen in dem Stopfen (6) vorgesehenen zylindrischen Kanal gebildet ist, der an dem der Öffnung (4) zugewandten Ende des Stopfens (6) offen ist.
Reservoir (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasversorgungseinrichtung vorgesehen ist, mittels der ein Inertgas in den Hohlraum (11) eingeleitet werden kann.
Reservoir (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (6) ganz oder teilweise aus Aluminiumtitanat besteht.
Reservoir (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (4) in einem ein separaten, in einen Boden (2) des Reservoirs (1) eingesetzten Bauteil (3), insbesondere einem Lochstein, vorgesehen ist.
Reservoir (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Stellung des Stopfens (6) zwischen einem Außenumfang des Stopfens (6) und einem Innenumfang einer die Öffnung (4) bildenden Wandung eine Linienberührung oder eine Flächenberührung besteht.
Reservoir (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Unterseite des Reservoirs (1) ein sich an die Öffnung (4) anschließendes Dosierrohr (5) angeordnet ist, über das in der zurückgefahrenen Stellung des Stopfens (6) flüssiges Gussmaterial aus dem Reservoir (1) abfließen bzw. in das Reservoir (1) einströmen kann.
Reservoir (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (1) mehrere Öffnungen (1) mit jeweils einem zugeordneten Stopfen (6) und einem jeweils zugeordneten Dosierrohr (5) aufweist.
Reservoir (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen ist, mittels der die Öffnungs- bzw. Schließbewegungen der Stopfen simultan gesteuert werden.
Verfahren zum Befüllen einer Stopfenpfanne (1) mit flüssigem Gussmaterial, bei dem die Stopfenpfanne (1), deren Stopfen (6) sich in einer geöffneten Stellung befindet, in einen Behälter (13) mit flüssigem Gussmaterial eingetaucht wird, so dass Gussmaterial über die Stopfenöffnung (4) der Stopfenpfanne (1) in die Stopfenpfanne (1) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Stopfenöffnung (4) zugewandtes Ende (10) des Stopfens (6) mit einem Inertgas umspült wird und der Stopfen (6) während des Umspülens in eine Schließstellung gebracht wird.