DE4332760A1 - Verfahren zum Betreiben einer Niederdruckmetallgießvorrichtung und Niederdruckmetallgießvorrichtung dafür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Niederdruckmetallgießvorrichtung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Niederdruckmetallgießvorrichtung, mit der das Ver­ fahren durchgeführt werden kann.

Aus der Praxis des Niederdruckmetallgießens sind sowohl Verfahren als auch Vorrichtungen der genannten Art be­ kannt. Aufgrund des getakteten Betriebes kommt es bei je­ dem Absenken des Schmelzespiegels im Steigrohr zu einem Eindringen von Luft und damit Luftsauerstoff in das Inne­ re des oberen Teils des Steigrohres. Dies führt dazu, daß noch an der Innenwandung des Steigrohres anhaftendes heißes Metall mit dem Luftsauerstoff oxidiert und daß sich Oxidablagerungen an der Innenwand des Steigrohres bilden. Die Dicke dieser Oxidablagerungen nimmt bei je­ dem Takt zu und führt schließlich zu einer merklichen Verengung des Querschnittes des Steigrohres. Um den ur­ sprünglichen Querschnitt des Steigrohres wieder herzu­ stellen, werden die Oxidablagerungen mittels mechani­ scher Hilfsmittel von der inneren Oberfläche des Steig­ rohres entfernt. Ein üblicherweise hierfür verwendetes mechanisches Hilfsmittel ist beispielsweise eine Stange, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist als der freie Durchmesser des Steigrohres, wobei diese Stange von oben her in das Steigrohr gestoßen wird und die Oxidablagerun­ gen hierdurch von der inneren Oberfläche des Steigrohres gelöst werden. Die gelösten Oxidablagerungen fallen dann nach unten durch das Steigrohr in das Innere des Schmelz­ ofens und in die darin befindliche Schmelze.

Nachteilig ist bei diesem bekannten Stand der Technik, daß einerseits das mechanische Entfernen der Oxidablage­ rungen von der inneren Oberfläche des Steigrohres einen hohen manuellen Arbeitsaufwand erfordert und daß anderer­ seits die in die Schmelze gelangenden abgestoßenen Oxid­ ablagerungen zu einer Verunreinigung der Schmelze und da­ durch zu Fehlstellen, z. B. Lunkern, in den aus der Schmelze hergestellten Werkstücken führen.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zum Be­ treiben einer Niederdruckmetallgießvorrichtung sowie ei­ ne Niederdruckmetallgießvorrichtung dafür anzugeben, bei denen die beschriebenen Nachteile vermieden werden und die insbesondere bei vermindertem Arbeitsaufwand eine Verunreinigung der Schmelze vermeiden und eine hohe Qualität der erzeugten Werkstücke gewährleisten.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt zum einen durch ein Verfahren zum Betreiben einer Niederdruckmetallgießvor­ richtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Patentanspruches 1 und zum anderen durch eine Niederdruckmetallgießvorrichtung gemäß dem Pa­ tentanspruch 7.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 bietet den Vorteil, daß es im oberen Teil des Steig­ rohres beim Absinken des Metallschmelzespiegels prak­ tisch nicht mehr zu einer Oxidbildung kommt. Dies wird dadurch erreicht, daß vor dem Auftreten von Oxidations­ reaktionen zwischen dem an der inneren Oberfläche des Steigrohres anhaftenden, noch flüssigen Metall und dem beim Absinken des Schmelzespiegels im Steigrohr in des­ sen oberen Teil eindringenden Luftsauerstoff letzterer entweder gebunden oder verdrängt wird. Somit wird die Bildung von Ablagerungen an der inneren Oberfläche des Steigrohres vermieden und das Steigrohr behält auch bei langer Betriebs zeit seinen vorgesehenen freien Innen­ durchmesser. Dadurch werden Stillstandszeiten verringert und Gußteile mit verbesserter Qualität erzeugt, so daß insgesamt eine verbesserte Produktivität erzielt wird. Die gegebenenfalls verbleibenden festen Produkte aus der Reaktion zwischen dem zugeförderten Mittel und dem Luftsauerstoff sind so leicht, daß sie auf der Schmelze im Steigrohr schwimmen und beim nächsten Gießvorgang nach oben gefördert und durch eine Entlüftungsöffnung der Formkokille schadlos ausgestoßen werden können. Eine Beeinträchtigung der Produktqualität wird damit sicher vermieden.

Hinsichtlich des Mittels zur Bindung oder Verdrängung des Luftsauerstoffes schlägt die vorliegende Erfindung verschiedene vorteilhafte Ausführungen vor, die in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben sind. Als bei Kontakt mit dem Luftsauerstoff oxidierendes Pulver kann beispielswei­ se Graphit- oder Aluminiumpulver verwendet werden. Weite­ re gas- oder pulverförmige Stoffe sind dem Fachmann be­ kannt und stehen zur Verfügung. Als gasförmiges Mittel kann beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas, wie He­ lium oder Argon, verwendet werden. Auch hier stehen dem Fachmann weitere Mittel zur Auswahl zur Verfügung.

Weiterhin schlägt die Erfindung vor, daß das Mittel in zeitlicher Abhängigkeit von dem im Inneren des Schmelz­ ofens herrschenden Druck in das Steigrohr gefördert wird. Der Druck im Inneren des Schmelzofens ist meßtech­ nisch wesentlich leichter erfaßbar als der Stand des Schmelzespiegels im Steigrohr, wobei aber ein direkter Zusammenhang zwischen dem Druck und dem Stand des Schmel­ zespiegels besteht, so daß die Verwendung des Druckes als Parameter für die Wahl des Zeitpunktes der Zuförde­ rung des Mittels hinreichend genau ist.

Weiter wird vorgeschlagen, daß das Mittel in Abhängig­ keit von dem durch das Absenken der Schmelze im Steig­ rohr frei werdenden Volumen dosiert und zugefördert wird. Hierdurch wird insbesondere sichergestellt, daß es keine verbleibenden Restmengen von Luftsauerstoff im obe­ ren Teil des Steigrohres gibt, auch wenn dieses einen re­ lativ großen Durchmesser aufweist oder der Schmelzespie­ gel um beträchtliche Höhendifferenzen auf- und abwärts bewegt wird.

Die erfindungsgemäße Niederdruckmetallgießvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 7 bietet auf technisch einfache Art und Weise die Möglichkeit, das zuvor erläuterte Ver­ fahren betriebssicher und mit geringem technischen Auf­ wand durchführen zu können.

In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgese­ hen, daß der Zweigkanal durch ein hitzebeständiges Me­ tall- oder Keramikrohr gebildet ist, das von der Seite her in das Steigrohr einmündet. Das Einmünden des Steig­ rohres kann dabei in Radialrichtung oder in einer zur Ra­ dialrichtung geneigten Richtung bis hin zu einer tangen­ tialen Einmündungsrichtung erfolgen, wobei in der Praxis diejenige Anordnung zu wählen ist, die für die beste Verteilung des zugeförderten Mittels im oberen Teil des Steigrohres sorgt.

Weiter ist vorgesehen, daß über den Umfang des Steigroh­ res verteilt mehrere Zweigkanäle vorgesehen sind. Durch diese Ausgestaltung kann die Verteilung des zugeförder­ ten Mittels im Inneren des Steigrohres verbessert wer­ den.

Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zweigkanäle übereinander vorgesehen sind. Auch hierdurch kann eine verbesserte Verteilung des Mittels im Inneren des Steigrohres er­ zielt werden, wobei zusätzlich vorgesehen werden kann, daß die übereinander angeordneten Zweigkanäle zu unter­ schiedlichen Zeitpunkten, bevorzugt zuerst oben und dann nachfolgend nach unten hin, mit dem Mittel beschickt wer­ den, entsprechend dem Absinken des Schmelzespiegels im Steigrohr.

Um ein Erstarren von Schmelze in den Zweigkanälen zu ver­ hindern, ist vorgesehen, daß an den Zweigkanälen Heizein­ richtungen angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Heiz­ einrichtungen so ausgeführt, daß sie ein- und ausschalt­ bar sind, um bei Beschickung der Formkokille einen Ver­ schluß der Zweigkanäle durch Erstarren von Schmelze bei ausgeschalteten Heizeinrichtungen und beim Absinken des Schmelzespiegels im Steigrohr eine Freigabe der Zweigka­ näle bei eingeschalteten Heizeinrichtungen zu erreichen. Alternativ kann in den Zweigkanälen auch durch Überwa­ chung und Steuerung eines Gasdruckes erreicht werden, daß keine Schmelze beim Befüllen der Formkokille seit­ wärts in die Zweigkanäle gelangt.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß dem Zweigkanal/ den Zweigkanälen mindestens eine Zufördereinrichtung mit wenigstens einem Vorratsbehälter und einer Dosiereinrich­ tung für das fluide Mittel zugeordnet ist.

Um einen automatisierten Betrieb zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, daß die Zufördereinrichtung und/oder die Dosiereinrichtung durch eine übergeordnete Steuereinrich­ tung steuerbar ist. Hierfür kann entweder eine ohnehin für den Betrieb der Niederdruckmetallgießvorrichtung schon vorhandene oder auch eine eigens für den Betrieb der Zufördereinrichtung und/oder der Dosiereinrichtung installierte Steuereinrichtung verwendet werden.

Um einen Parameter für eine zeitlich passend abgestimmte Zuförderung des Mittels zur Verfügung zu stellen, ist vorgesehen, daß die Steuereinrichtung mit Mitteln zur Er­ fassung des Druckes im Inneren des Schmelzofens verbun­ den ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeich­ nung zeigen:

Fig. 1 eine Niederdruckmetallgießvorrichtung in schema­ tischer Darstellung, teilweise im Vertikal­ schnitt,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Linie II-II,

Fig. 3 eine zweite Ausführung der Vorrichtung in einer Darstellung entsprechend der Fig. 2 und

Fig. 4 eine dritte Ausführung der Vorrichtung, eben­ falls in einer Darstellung entsprechend der Fig. 2.

Wie die Fig. 1 der Zeichnung zeigt, besteht das hier dargestellte Ausführungsbeispiel der Niederdruckmetall­ gießvorrichtung 1 aus einem geschlossenen Schmelzofen 10, der hier nur ausschnittsweise dargestellt ist, und einem aus dem Ofen 10 nach oben herausgeführten Steig­ rohr 3. Im Inneren 12 des Schmelzofens 10 wird eine Me­ tallschmelze 2, z. B. Messing oder Kupfer, vorgehalten. Durch hier nicht dargestellte Mittel kann der Druck im Inneren 12 des geschlossenen Schmelzofens 10 gezielt er­ höht und abgesenkt werden. Da das Steigrohr 3 mit seinem unteren Teil 33 in die Schmelze 2 eintaucht, kann so ein gezieltes Ansteigen und Absenken des Schmelzespiegels 20 im Inneren 30 des Steigrohres 3 bewirkt werden. An das obere Ende 31 des Steigrohres 3 ist im gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel eine Formkokille 5 mittels einer steigrohr­ seitigen Ansatzfläche 35 und einer kokillenseitigen An­ satzfläche 53 dichtend angesetzt. Durch entsprechende Steigerung des Druckes im Inneren des Schmelzofens 10 wird die Schmelze 2 durch das Steigrohr 3 soweit nach oben gedrückt, bis der Hohlraum 50 der Formkokille 5 durch deren Einfüllöffnung 54 vollständig gefüllt ist. Durch eine Entlüftungsöffnung 55 am höchsten Punkt der Formkokille 5 kann die durch die Schmelze aus dem Hohl­ raum 50 verdrängte Luft entweichen. Sobald die Formkokil­ le 5 gefüllt ist, wird die darin befindliche Schmelze ab­ gekühlt und erstarrt. Daraufhin wird durch Verminderung des Druckes im Schmelzofen 10 der Schmelzespiegel 20 um einen gewissen Höhenbetrag abgesenkt und die Formkokille 5 wird von dem Steigrohr 3 entfernt. Zu diesem Zeitpunkt kommt es zu einer Verbindung des Inneren 30 des oberen Teils 31 des Steigrohres 3 mit der Atmosphäre, so daß Luftsauerstoff in das Innere 30 des oberen Teils 31 des Steigrohres 3 gelangen kann. Bei herkömmlichen Vorrich­ tungen bilden sich hierdurch an der inneren Oberfläche 30′ des Steigrohres 3 Oxidablagerungen infolge der Reak­ tion der an der inneren Oberfläche 30′ des Steigrohres 3 anhaftenden Metallschmelze mit dem Luftsauerstoff.

Zur Vermeidung dieser Entstehung von Oxidablagerungen weist die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 am oberen Endbe­ reich 31 des Steigrohres 3 einen Zweigkanal 4 auf. Die­ ser Zweigkanal 4 ist hier durch ein hitzebeständiges Keramikrohr 40 gebildet, welches in radialer Richtung in das Steigrohr 3 einmündet. Durch diesen Zweigkanal 4 kann ein Mittel 44′, 43′ in das Innere 30 des oberen Teils 31 des Steigrohres 3 gefördert werden, wobei das Mittel ein bei Kontakt mit dem Luftsauerstoff oxidieren­ des Gas und/oder Pulver und/oder ein inertes Gas sein kann. Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist sowohl mit einem Vorratsbehälter 43 für ein pulverförmiges Mittel 43′ als auch einem Gasbehälter 44 für ein gasförmiges Mittel 44′ ausgeführt. Von beiden Vorratsbehältern 43, 44 führt je eine Leitung zu einer Dosiereinrichtung 42, die Teil ei­ ner Steuereinrichtung 41 ist. Mittels dieser Dosierein­ richtung wird das Mittel in der gewünschten Menge und Zu­ sammensetzung und zum gewünschten Zeitpunkt, nämlich bei absinkendem oder abgesenktem Schmelzespiegel 20 im Steig­ rohr 3 in dessen Inneres 30 gefördert. Fördereinrichtun­ gen zur taktweisen Förderung von Pulvern oder Gasen oder Gemischen daraus sind bekannt und müssen daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden.

Schließlich zeigt die Fig. 1 der Zeichnung noch einen Drucksensor 45, der durch die Ofendecke des Schmelzofens 10 in das Ofeninnere 12 geführt ist und der mit einer Signalleitung mit der Steuereinrichtung 41 verbunden ist. Mittels dieses Drucksensors 45 kann der im Inneren 12 des Schmelzofens 10 herrschende Druck erfaßt werden, wodurch der Steuereinrichtung 41 ein Parameter für den Höhenstand des Schmelzespiegels 20 im Inneren 30 des Steigrohres 3 zur Verfügung gestellt wird. Anhand dieses Parameters kann dann der richtige Zeitpunkt für die Aus­ lösung der Zuführung des Mittels 43′, 44′ festgelegt wer­ den.

Fig. 2 der Zeichnung zeigt das Steigrohr 3 im Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1. Hieraus wird ersicht­ lich, daß das Steigrohr 3 einen kreisförmigen Quer­ schnitt hat, wobei auch das Innere 30 des Steigrohres 3 kreisförmig ist. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel mündet der Zweigkanal 4 als einzelner Ka­ nal in radialer Richtung in das Innere 30 des Steigroh­ res 3. Weiter ist ersichtlich, daß der Zweigkanal 4 durch das Keramikrohr 40 gebildet ist, das bündig in eine entsprechende Durchbrechung des Steigrohres 3 eingefügt ist und das im Inneren 30 des Steigrohres 3 bündig mit dessen innerer Oberfläche 30′ endet.

Fig. 3 der Zeichnung zeigt in gleicher Darstellungswei­ se wie Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Steigrohr 3 die gleiche Form und Dimensionierung auf­ weist wie bei dem Beispiel gemäß Fig. 2, wobei aber im Unterschied zu dem vorher beschriebenen Beispiel der Zweigkanal 4 in einer tangentialen Richtung in das Inne­ re 30 des Steigrohres 3 mündet. Auch hier ist der Zweig­ kanal 4 wieder durch das Keramikrohr 40 gebildet, dessen steigrohrseitiges Ende entsprechend der tangentialen Ein­ mündungsrichtung gerundet ist und auch hier bündig mit der inneren Oberfläche 30′ des Steigrohres 3 abschließt. Durch die tangentiale Einmündungsrichtung des Zweigka­ nals 4 wird eine rotierende Strömung des durch den Zweig­ kanal 4 zugeförderten Mittels bewirkt, die für dessen gleichmäßige Verteilung im Inneren 30 und entlang der inneren Oberfläche 30′ des Steigrohres 3 sorgt.

Fig. 4 der Zeichnung zeigt schließlich als letztes Aus­ führungsbeispiel ein Steigrohr 3 mit zwei Zweigkanälen 4, wobei diese unter einem Winkel von etwa 90° zueinan­ der verlaufen und zusätzlich eine Neigung von etwa 30° zur Radialrichtung aufweisen. Bei gleichzeitiger Zuför­ derung des Mittels durch beide Zweigkanäle 4 stoßen die beiden Mittelströmungen in dem in Fig. 4 oberen Teil des Inneren 30 des Steigrohres 3 zusammen, wodurch die beiden Teilströme zu einem gemeinsamen Strom zusammenge­ führt und zur Mitte und nach unten hin umgelenkt werden. Die geometrischen Begriffe "oben" und "unten" beziehen sich hier lediglich auf die zeichnerische Darstellung in Fig. 4; in der Realität läuft das Steigrohr 3 in einer vertikalen Richtung, so daß sich die beschriebenen Strö­ mungsverläufe im wesentlichen in einer horizontalen Ebe­ ne abspielen. Auch bei der Gestaltung des Steigrohres 3 mit den Zweigkanälen 4 gemäß Fig. 4 ergibt sich eine besonders gute Verwirbelung und Verteilung der durch die Zweigkanäle 4 zugeförderten Mittel im Inneren 30 und ent­ lang der inneren Oberfläche 30′ des Steigrohres 3.

Claims (14)

1. Verfahren zum Betreiben einer Niederdruckmetallgieß­ vorrichtung, insbesondere für Messing oder Kupfer, wobei in einem geschlossenen Schmelzofen (10) eine Metallschmelze (2) vorgehalten wird, wobei durch min­ destens ein in die Schmelze (2) eintauchendes und nach oben aus dem Ofen (10) herausgeführtes Steig­ rohr (3) mittels Druckerhöhung im Ofeninneren (12) eine an das obere Ende (31) des Steigrohres (3) ange­ setzte Formkokille (5) mit Metallschmelze (2) füll­ bar ist und wobei nach dem Erstarren der in die Form­ kokille (5) geförderten Metallschmelze (2) der Schmelzespiegel (20) im Steigrohr (3) durch Druckver­ minderung im Ofen (10) wieder abgesenkt, die gefüll­ te Formkokille (5) vom Steigrohr (3) entfernt und eine neue, leere Formkokille (5) an das Steigrohr (3) angesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei absinkendem oder abgesenktem Schmelzespiegel (20) im Steigrohr (3) ein den oberhalb des Schmelze­ spiegels (20) im Steigrohr (3) befindlichen Luft­ sauerstoff bindendes und/oder verdrängendes fluides Mittel (43′, 44′) in das Innere (30) des oberen Teils (31) des Steigrohres (3) gefördert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel (43′, 44′) ein bei Kontakt mit dem Luftsauerstoff oxidierendes Gas und/oder Pulver ver­ wendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel (43′, 44′) ein inertes Gas verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel (43′, 44′) ein Gemisch aus einem bei Kontakt mit dem Luftsauerstoff oxidierenden Gas und/ oder Pulver und einem inerten Gas verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (43′, 44′) in zeitlicher Abhängigkeit von dem im Inneren (12) des Schmelzofens (10) herrschenden Druck in das Steig­ rohr (3) gefördert wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (43′, 44′) in Abhängigkeit von dem durch das Absenken des Schmelze­ spiegels (20) im Steigrohr (3) frei werdenden Volu­ men dosiert und zugefördert wird.

7. Niederdruckmetallgießvorrichtung, insbesondere für Messing oder Kupfer, mit einem geschlossenen Schmelz­ ofen (10) zur Vorhaltung einer Metallschmelze (2), mit mindestens einem in die Schmelze (2) eintauchen­ den und nach oben aus dem Ofen (10) herausgeführten Steigrohr (3), mit mindestens einer an das obere En­ de des Steigrohres (3) ansetzbaren Formkokille (5) und mit Mitteln zur gezielten Erhöhung und Absenkung des Druckes im Ofen (10) zwecks Befüllung der Formko­ kille (5) und anschließender Absenkung des Schmelze­ spiegels (20) im Steigrohr (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (3) in seinem oberen Teil (31) mit mindestens einem Zweigkanal (4) ausgebildet ist und daß durch diesen Zweigkanal (4) bei absinkendem oder abgesenktem Schmelzespiegel (20) im Steigrohr (3) ein den oberhalb des Schmelzespiegels (20) im Steig­ rohr (3) befindlichen Luftsauerstoff bindendes und/ oder verdrängendes fluides Mittel (43′, 44′) in den oberen Teil (31) des Steigrohres (3) förderbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweigkanal (4) durch ein hitzebeständiges Me­ tall- oder Keramikrohr (40) gebildet ist, das von der Seite her in das Steigrohr (3) einmündet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über den Umfang des Steigrohres (3) verteilt mehrere Zweigkanäle (4) vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zweigkanäle (4) übereinander vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den Zweigkanälen (4) Heizeinrichtungen (32) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zweigkanal/den Zweig­ kanälen (4) mindestens eine Zufördereinrichtung mit wenigstens einem Vorratsbehälter (43, 44) und einer Dosiereinrichtung (42) für das fluide Mittel (43′, 44′) zugeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zufördereinrichtung und/oder die Dosier­ einrichtung (42) durch eine übergeordnete Steuerein­ richtung (41) steuerbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuereinrichtung (41) mit Mitteln (45) zur Erfassung des Druckes im Inneren (12) des Schmelzofens (10) verbunden ist.