EP1076603B1 - Verfahren zum verarbeiten einer metallschmelze, insbesondere einer leichtmetallschemelze, sowie gekapselter und mit schutzgas beaufschlagbarer dosierofen - Google Patents

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

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EP1076603B1
EP1076603B1 EP99927667A EP99927667A EP1076603B1 EP 1076603 B1 EP1076603 B1 EP 1076603B1 EP 99927667 A EP99927667 A EP 99927667A EP 99927667 A EP99927667 A EP 99927667A EP 1076603 B1 EP1076603 B1 EP 1076603B1
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EP
European Patent Office
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furnace
molten metal
casting
metering
level
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP99927667A
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English (en)
French (fr)
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EP1076603A1 (de
Inventor
Wilfried Schmitz
Joachim Kahn
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Kahn Friedhelm Prof Dr-Ing
Kahn Roland Dipl-Ing
Original Assignee
Individual
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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 one Light metal melt, by means of an encapsulated dosing furnace, which is charged with protective gas, the is connected via a riser pipe to a casting machine or mold, which has a quantifiable Quantity of melt is charged by pressurizing the protective gas in the dosing furnace and a metering oven suitable for carrying out the method.
  • the melt level by means of a pressure-controlled inert gas filling is kept constant during the melting and casting phase.
  • DE-OS 42 03 193 is a method for handling magnesium and magnesium alloy melts known in which the melt of a casting device to be charged by generating an overpressure in a protective gas volume above the molten bath level is fed.
  • the overpressure is generated by opening a valve that the dosing furnace with connects a pressure accumulator.
  • the melt is metered by measuring the weight the supplied melt or a size dependent thereon. After dosing A pressure equalization between the protective gas in the dosing furnace and the pouring device brought about, that is to say 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 insufficient.
  • DEA-4403285 discloses a dosing oven with a tightly fitting lid which a connecting pipe for protective gas, pouring pipe, measuring tube, metering tube and one Charging device are connected.
  • a disadvantage of this known metering furnace is that Regulation of the protective gas pressure does not reliably indicate the bath level and that the Dosing accuracy is not guaranteed.
  • the invention is based on the object, the method of the type mentioned to improve that a metallurgically safe process control, an accurate and fast Dosing of the amount of melt required for the casting process and an optimal coupling to the downstream casting process takes place and enables casting with high quality of the casting becomes.
  • a dosing furnace suitable for the process should be specified.
  • the object is achieved by that the amount of melt 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 desired level in the casting machine or mold, that the temperature of the melt is measured in the metering 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 metering furnace is measured and regulated between preset limit values and that the gas pressure in the protective gas in the metering furnace is controlled so that the melt level in the riser pipe is essentially the same regardless of the bath height in the metering furnace before each supply of melt to the casting machine or mold, wherein 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 disturbance variables.
  • the method can be carried out so that the gas pressure of the protective gas in the Dosing furnace measured and depending on the bath height of the melt in the dosing furnace a preset function is regulated.
  • the invention enables the bathroom mirror by coupling the control loops for the batches the melt in the dosing furnace, the gas pressure in the dosing furnace above the bath surface and the temperature in the melt bath the premature influence of the disturbance variables of the overall process.
  • the melt in the riser pipe is expediently heated.
  • the heating should be regulated done by measuring the temperature of the melt in the riser pipe and using that on the riser pipe supplied heating power is regulated to a preset temperature value.
  • the melt is always transported in the closed system using the shortest paths, the shortest Transport times and under precisely regulated temperature conditions. This makes it manageable Process realized with a high degree of certainty as it is used to produce quality components necessary is.
  • the metal addition in the system can be fixed by means of alloy material that is from the supplier has guaranteed properties, or liquid with cleaned and treated melt, the Properties are precisely set and documented.
  • the heat is added to the respective phases of the process with constant amounts of metal with minimal paths for heat flow and guarantees optimal energy input and therefore high efficiency.
  • the exact quantification is done using a Defined feed control and the metal can with before immersion in the melt With the help of a regulated heating system it can be preheated in a defined manner.
  • the melting by immersion into a larger melt pool enables intensive heat transfer at the time where the heat of fusion must be introduced.
  • the alloy material is advantageous held in the melt bath first with the help of a guide, so that when entering the Neither metal splashes nor cold material directly into the lower area of the bathroom Melt pool sinks.
  • the charging device with guide is preferably in the furnace lid or arranged on the upper side wall so that self-locking prevents Alloy material falls into the furnace uncontrollably.
  • liquid charging In the case of liquid charging, a metered amount of metal with a defined temperature is below the Bath surface, for example via a siphon, introduced.
  • the liquid batch can be as Supplement can also be used in combination with the fixed batch, for example 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 enable 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 .
  • the level of the bath level in the dosing furnace is reduced due to the constant recharging Area regulated so that the head to the casting machine can be kept low, which one allows relatively low overpressure. This is a simple and precise pressure control realizable.
  • the charging material supplied is expediently preheated before being introduced into the metering furnace.
  • Controlled heating is expediently again carried out here by the temperature of the charging material and the heating power supplied during preheating is regulated to a preset temperature value.
  • the melt is removed during dosing via a riser pipe in the lower area of the bath Low turbulence against gravity, ensuring that none in the upper range of the molten metal that has just been melted is conveyed directly out of the system.
  • the method can also be carried out in such a way that it is independent of the casting process Dosing an antechamber to be arranged on the casting machine or mold with the melt is filled.
  • the individual control loops can be networked in a programmable controller.
  • the coupled control loops of the parameters dosing quantity and casting temperature in connection with post-charging enables a very high dosing accuracy with constant casting temperature.
  • the efficiency of the dosing furnace is almost constant due to the energy input Melt volume increased significantly.
  • 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 bathroom can be avoided.
  • resistance heating conductors these are used to achieve the required high heating output when melting and keeping warm distributed over the outer surface of the cylindrical dosing furnace or arranged inside in a so-called immersion heater.
  • induction heating can be used advantageously, their efficiency by coupling the largely constant melt volume is increased.
  • an accurate local power adjustment can be made be made so that, if necessary, also in the lower area of the melt pool the highest performances are achieved.
  • the induction technology the possibility of variable frequency selection, the performance and the bath movement targeted adjustment.
  • the high melting power of induction enables an ideal compact unit with high flexibility, which, for example, is excellent for use in a flexible manufacturing cell a die-casting foundry.
  • the high process reliability enables an increased casting quality as well as an automatic, low-emission and environmentally friendly foundry.
  • a metering oven suitable for carrying out the method contains a controller that acts on the device for recharging and is guided either by the level sensor for the bath level of the melt in the furnace or by the signal from the level sensor in the riser pipe in connection with the current furnace pressure and one from the fill level sensor for the bath height of the melt in the furnace or from the signal from the fill level sensor in the riser pipe in connection with the instantaneous furnace pressure, which causes the dosing pressure for the protective gas required for precise dosing.
  • the regulator for the gas pressure can be designed so that it with the level sensor bath height of the melt measured in the dosing furnace is activated as a disturbance variable. To this Such a gas pressure is always, regardless of the current level of the bath Dosing furnace maintained that before each supply of melt to the pouring device certain melt level is produced in the riser. Alternatively, the gas pressure can also be adjusted depending on the melt level in the riser, if there is one Height is measured here alone using a level sensor. For the regulation of post-charging the gas pressure in the dosing furnace can then be used.
  • the device for recharging with solid charging material expediently consists of one with a hose-shaped sluice and one with the level sensor interacting feed drive for the charging material.
  • the device for post-charging with solid charging material can also have a lock a material chamber displaceable by a slide cylinder, at the open ends of which an upper and lower position of the material chamber alternately opening and closing Sliders are attached, and with a feed device controlled by a displacement sensor for the upper position of the material chamber and a gas pressure control device.
  • a partial immersion in the melt connected to the lock Support rail provided for the self-locking support of the fixed charging material his.
  • the lock with a temperature-controlled heating device for the charging material is preferred equipped.
  • a device for post-charging with liquid charging material can expediently be constructed in this way be that it consists of a melt vessel that can be coupled to a filling tube of the dosing furnace exists with a cooperating with the level sensor conveyor for Melt is equipped.
  • the riser pipe is also equipped with a temperature-controlled one Heating device equipped 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 pan, the free volume of which is in the position is to take up the possibly flowing melt from the dosing furnace.
  • induction heating it is also possible to use, for example, a metal crucible with a backfilling ceramic mass, providing good support and additional protection is guaranteed in the case of a crucible leak.
  • the riser pipe should have a capacity of at least one gross cast and be practical have an inside diameter of at least 30 mm. It should also go straight from the bottom the filling chamber of the die casting machine or the die. This design guarantees low-turbulence conveying of the melt with a short transport path and ensures so for a short dosing time with low temperature losses.
  • the construction of the dosing furnace can be done in this way be designed so that the riser pipe opens into an antechamber, which with a short pipe the filling chamber of the die casting machine is connected.
  • the prechamber can have an overflow edge have, so that it only takes up a defined amount of melt.
  • the riser pipe with the filling chamber from below one die casting machine is connected and a second, in the amount of the intended Fill level has in the filling chamber connecting channel, via the overdosed Melt is automatically returned to the antechamber.
  • a central furnace control e.g. B. in the form of a Programmable logic controller can be provided, with a central control of the Die casting machine for transferring process parameters via a signal line with this central Furnace control is connected.
  • bolt-shaped alloy material 1 is used with a Via a displacement sensor 2 controlled feed device 3 through a lock seal 4 Sluice 5 pushed.
  • the lock 5 is equipped with a heating device 6 for preheating the bolt-shaped alloy material 1 equipped.
  • a temperature sensor 7 measures the temperature of the alloy material 1, which is given to a regulator 8 for regulating the heating device 6 becomes.
  • a melt bath 10 which is heated with resistance heating elements 11 becomes.
  • a temperature sensor 12 in the melt bath 10 gives a measurement signal for the heating power control 13.
  • the alloy material 1 is slowly over a support rail 14 in the Melt bath 10 performed, it melts in the upper bath area.
  • the bath surface 15 is protected from erosion and oxidation by a protective gas 16.
  • the Shielding gas 16 is constantly under a slight excess pressure.
  • a level sensor 17 measures the height of the bath surface 15 and triggers when one is exceeded Minimum values from the re-charging of the feed device 3.
  • the connection to a casting device takes place through 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 sets the desired casting temperature in the melt.
  • the dosing furnace is protected with insulation 22 against large radiation losses to the outside. at 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 using a gas pressure sensor 24 measured and controlled with a gas pressure regulator 25 via the gas control valve 26, the Gas pressure regulator 25 connected to the level of the bath surface 15 measured with the fill level sensor 17 is because the gas pressure over the bath surface 15 is influenced by this.
  • the gas pressure is now in accordance with the metered quantity and the Head increased to the pouring device, and that as precisely as possible the pressure difference that the height difference between the bath level and a level setpoint in the pouring device equivalent.
  • the dosing accuracy can, if necessary, be confirmed by a level sensor be increased 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.
  • Figure 2 shows a dosing furnace with inductively heated crucible 9.
  • the melt passes through vertical riser pipe 18, heated essentially via the metering furnace, to the interface to the pouring device 27, so that the additional heating device 19 is dimensioned correspondingly smaller can be.
  • the level of the melt in the riser 18 is determined by means of a Level sensor 56 measured and regulated via the gas pressure in the metering furnace so that it before each supply of melt to the casting device is approximately the same.
  • An induction heater 28 is operated by means of a temperature sensor 12 and the heating power control 13 regulated and a variable frequency and the control of independent coils flexible provision of services.
  • the inductive force effect ensures thorough mixing of the melt pool 10 reached, causing segregations and deposits on the ground of the crucible 9 can be safely avoided.
  • the crucible 9 is supported with the aid of a ceramic intermediate layer 29, which in addition 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 heated using a separate heating device 6 preheated to a defined temperature.
  • 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 pressure with the help of a gas pressure regulator 34 and a gas pressure valve 35 for the lock 30 raised to the same level as in the furnace room.
  • the slide cylinder 31 moves to 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 15th
  • the entire lock 30 can be decoupled from a mounting flange, so that ingots can be introduced into the unpressurized furnace very quickly.
  • the geometry 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 brought in from outside when the pigs are inserted.
  • control of the process parameters and the dosing are carried out in a similar manner to that of the Embodiment according to FIG. 1.
  • FIG. 3 shows the coupling of the control loops for the temperature T m , T fl of the alloy material 1, the melt temperature T S , 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 generally 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 T S is therefore regulated within narrow limits by means of the heating power controller 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 level in the riser pipe 18 is the same regardless of the bath height H of the melt bath 10 in the crucible 9 before each metering process.
  • the gas pressure P g is then temporarily increased in accordance with the required delivery head to the pouring device 27 and the metering quantity md.
  • the dosing accuracy can be confirmed by feedback of the dosed amount of melt to the gas pressure regulator 25 can be increased.
  • melt temperature T S 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 T S 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 T S 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 fl 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 regulated 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 is re-changed with a melt quantum via a filler pipe 38 can be.
  • a delivery channel 39 is removed from the transport vessel 37 by a detachable one Coupling 40 is tightly connected to the filler pipe 38.
  • the delivery pressure regulator 41 can be recharged in liquid until the fill level sensor 17 in the melt bath 10 of the dosing furnace switches off at maximum bath height H.
  • the transport vessel 37 can be kept at a defined temperature T fl 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 one Molding apparatus.
  • a specific one is Amount of magnesium melted.
  • the crucible 9 is on the riser 18, which is in the lower Area of the melt pool 10 starts with the filling chamber 45 of a die casting machine connected to which a die 40 connects.
  • the space above the melt bath 10 is filled with argon, which is removed from a storage vessel 47 becomes.
  • the filling chamber 45 and the die 40 are also filled with argon.
  • the melt is then conveyed through the piston into the die 46 and the argon displaced from the die 46, the filling chamber 45 immediately after the shot is filled again with argon so that the bath level in the riser pipe 18 does not come into contact with air comes. After the casting has been removed from the die 46, it is again filled with argon.
  • All control processes are carried out by a central furnace control 48, which for Transfer of process parameters also via a signal line 50 with a central controller 49 of the die casting machine is connected.
  • the central furnace controller 48 which is 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, ingot formats, dosing times, required Delivery amount etc. are fixed, individual coordination of the individual control loops is made can be.
  • FIG. 6 shows a variant of the coupling between the die casting machine and the riser pipe 18.
  • a prechamber 51 which is connected via a connecting channel 53 is connected to the filling chamber 45.
  • the connection channel opens 53 so into the filling chamber 45 that too much dosed melt automatically into the pre-chamber 51st flows back after the piston of the die casting machine the mouth of the riser pipe 18th has run over, at which moment the gas pressure in the metering furnace is reduced becomes.
  • the mouth of the connecting channel 53 in the filling chamber 45 must therefore at one point be placed at which the fill level corresponds as exactly as possible to the dosage of a shot.
  • the riser pipe 18 has a heated, self-contained prechamber 51 an overflow edge 54 connected.
  • the volume of the pre-chamber 51 corresponds in this case exactly one shot.
  • a tube extending from the filling chamber 45 of the die casting machine 52 plunges into the pre-chamber 51.
  • the coupling to the filling chamber 45 is thus somewhat flexible.
  • the filling chamber 45 is filled by generating a pressure difference between the Pre-chamber 51 and the filling chamber 45 via a protective gas line 55 after the gas pressure was taken back in the dosing oven.

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Description

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 quantifizierbaren 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 Prozeßsicherheit 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 Steigrohr 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 diesem Verfahren nur bestimmte bolzenförmige Chargierkörper mit geeigneten Verbindungselementen verwendet werden.
Mit der DE-OS 42 03 193 ist ein Verfahren zur Handhabung von Magnesium- und Magnesiumlegierungsschmelzen 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.
Die DEA-4403285 offenbart einen Dosierofen mit einem dicht abschließenden Deckel, an welchem ein Anschlußrohr für Schutzgas, Gießrohr, Meßrohr, Dosierrohr und eine Chargiereinrichtung angeschlossen sind. Nachteilig an diesem bekannten Dosierofen ist, daß die Regelung des Schutzgasdruckes nicht zuverlässig den Badspiegel angibt und daß die Dosiergenauigkeit nicht gewährleistet 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 ermöglicht 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 Füllstand-sollwert 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.
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 zugefuhrte 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 beherrschbarer 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 Bauteilqualität kann die Oberfläche der Stranggußmasseln bearbeitet sein. Mit Hilfe einer flexiblen Schleuse lassen sich aber auch alle anderen konventionellen Masselformate verwenden.
Die Wärmezuführ erfolgt angepaßt an die jeweiligen Phasen des Prozesses mit konstanten Metallmengen bei minimalen Wegen für den Wärmefluß und garantiert eine optimale Energieeinbringung und damit einen hohen Wirkungsgrad.
Alle in der Ofentechnologie verfügbaren 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 Eintauchen 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 Badöberfläche, 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, Abbrandverluste 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.
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, Wärmestau 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.
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 Flexibilität, 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
einen Regler, der auf die Einrichtung zu Nachchargierung einwirkt und geführt wird entweder von dem Füllstandssensor für die Badhöhe der Schmelze im Ofen oder von dem Signal des Füllstandssensors im Steigrohr in Verbindung mit dem momentanen Ofendruck und
einen von dem Füllstandssensor für die Badhöhe der Schmelze im Ofen oder von dem Signal des Füllstandssensors im Steigrohr in Verbindung mit dem momentanen Ofendruck geführten Regler, der den für eine genaue Dosierung erforderlichen Dosierdruck für das Schutzgas bewirkt.
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 ChargiermateriaIs 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 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 temperaturgeregelten 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.
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.
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 Heizeinrichtung 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.
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 dimensioniert 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 Zuführen 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.
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, Tfl 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 Übergangsfunktionen 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 stangenförmiges 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.
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 Schmelzestand 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. Tfl 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.
Das Tansportgefäß 37 kann mit einem wiederstandsbeheizten Tauchheizkörper 42 mit Hilfe einer Heizungsregelung 43 und einem Thermoelement 44 auf einer definierten Temperatur Tfl 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 Vorratsgefäß 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 zurückgenommen 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 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 Vorkammer 51 und der Füllkammer 45 über eine Schutzgasleitung 55, nachdem der Gasdruck im Dosierofen zurückgenommen wurde.

    Claims (33)

    1. Verfahren zum Verarbeiten einer Metallschmelze, insbesondere einer Leichtmetallschmelze, mittels eines gekapselten, mit Schutzgas beaufschlagten Dosierofens, in dem die Badhöhe gemessen und von dem aus die Gießmaschine oder -form mit einer quantifizierbaren Schmelzemenge mittels Druckbeaufschlagung des Schutzgases im Dosierofen beschickt wird, wobei der Gießprozess unter Schutzgas erfolgt,
      dadurch gekennzeichnet, daß die einem Bruttoabguss entsprechende Schmelzemenge einer an den Dosierofen 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 Füllstandssollwert 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 gemessen und zwischen voreingestellten Grenzwerten geregelt wird und
      daß der Schutzgasdruck 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 zugefuhrten Heizleistungen, der Menge des zugeführten Chargiermaterials und der entnommenen Schmelzemenge als Stellund Störgrößen zwischen wählbaren Grenzwerten gehalten werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck des Schutzgases im Dosierofen gemessen und in Abhängigkeit 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 gefördert wird.
    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, mit einem Füllstandssensor (17) für die Badhöhe (H) der Schmelze ausgerüsteter Dosierofen, der eine Einrichtung (1) zur Nachchargierung mit festem oder flüssigem Chargiermaterial aufweist, über ein Steigrohr (18) mit einer Gießmaschine oder -form (27) verbindbar und mit einer Heizeinrichtung (11, 28) versehen ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche
      gekennzeichnet durch
      einen Regler (13), der auf die Einrichtung zur Nachchargierung einwirkt und geführt wird entweder von dem Füllstandssensor (17) für die Badhöhe der Schmelze im Ofen oder von dem Signal des Füllstandssensors (56) im Steigrohr in Verbindung mit dem momentanen Ofendruck und
      einen von dem Füllstandssensor (17) für die Badhöhe der Schmelze im Ofen oder von dem Signal des Füllstandssensors (56) im Steigrohr in Verbindung mit dem momentanen Ofendruck geführten Regler (25), der den für eine genaue Dosierung erforderlichen Dosierdruck für das Schutzgas (16) bewirkt.
    18. Dosierofen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler (25) die mit dem Füllstandsensor (17) gemessene Badhöhe (H) der Schmelze als Störgröße angeschaltet 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 Vorschubantrieb (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 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 Steigrohr (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.
    29. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (18) direkt von unten mit der Füllkammer (45) einer Druckgießmaschine oder der Druckgießform (46) verbunden ist.
    30. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 29, 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.
    31. Dosierofen nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (51) eine Überlaufkante (54) aufweist.
    32. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 31, 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.
    33. Dosierofen nach einem der Ansprüche 17 bis 32 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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