DE10061026A1

DE10061026A1 - Metallgießverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE10061026A1
Application number: DE10061026A
Authority: DE
Inventors: Johann Wolf; Franz-Josef Bachhuber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2002-06-13
Also published as: DE50102788D1; EP1213070B1; EP1213070A3; EP1213070A2

Abstract

Bei einem Metallgießverfahren und einer Metallgießanlage, bei dem bzw. der die Metallschmelze aus einem über ein Füllrohr (10) periodisch nachfüllbaren Schmelzeofen (2) unter Zwischenschaltung eines in das Schmelzbad (4) eintauchenden Steigrohrs (6) in die Gießform (8) eingebracht wird, wird erfindungsgemäß die Bildung von nachfüllbedingten Verunreinigungen im Schmelzeofen dadurch wesentlich verringert, dass das Füllstandsniveau im Füllrohr mit Hilfe eines Füllstandssensors (24) gemessen und in der Nachfüllphase auf oder über das Höhenniveau (B) des gießformseitigen Steigrohr-Auslassbereichs angehoben wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Metallgießverfahren und eine Metallgieß vorrichtung, insbesondere nach dem Niederdruck-Gießprinzip zur Serienferti gung von Aluminium-Gussteilen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 6.

Bei einer bekannten Gießvorrichtung dieser Art (EP 0 970 767 A1), bei der das Steigrohr selektiv an die Gießform angekoppelt und diese anschließend in der Weise befüllt wird, dass die Metallschmelze aus dem Schmelzeofen unter Nie derdruckwirkung in das Steigrohr und von dort in die Gießform gedrückt wird, wird der Metallspiegel im Steigrohr vor jedem Formfüllvorgang mit Hilfe einer Druckgassteuerung einschließlich eines in einem mit dem Steigrohr kommuni zierenden Messrohr angeordneten Füllstandsensors auf eine vorgegebene Füllstandshöhe im Bereich des oberen, gießformseitigen Auslassendes des Steigrohrs angehoben, um so das Startniveau des Metallspiegels im Steigrohr für sämtliche Formfüllvorgänge unabhängig vom Füllungsgrad des Schmelze ofens auf gleicher Höhe zu halten. Dabei muss der Schmelzeofen vor jedem Formfüllvorgang, aber auch zum Nachfüllen des Schmelzbads drucklos ge schaltet und der eigentliche Gießprozess in dieser Zeit unterbrochen werden, was erhöhte Stillstandzeiten und eine entsprechende Verringerung der durch schnittlichen Produktionsrate zur Folge hat. Problematisch ist jedoch vor allem, dass es, bedingt durch den Nachfüllvorgang, zu einer verstärkten Gasaufnah me und Oxidhautbildung der Schmelze sowie zu höchst unerwünschten Korundablagerungen im Ofen und dadurch zu einer Qualitätseinbuße an den Gussteilen kommt, die im Hinblick auf die strikten Qualitätsanforderungen, wie sie etwa in der Automobilindustrie an Aluminium-Gussteile gestellt werden, nicht hingenommen werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die erwähnten, nachfüllbedingten Verun reinigungen des Schmelzbads merklich verringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekenn zeichnete Verfahren bzw. die im Patentanspruch 6 gekennzeichnete Gießvor richtung gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Metallspiegel im Füllrohr für die Dauer des Nach füllvorgangs unabhängig vom Füllungsgrad des Ofens auf oder über dem Hö henniveau des Steigrohr-Endbereichs, also deutlich über dem Metallspiegel im Schmelzeofen, gehalten und somit die freie Fallhöhe der Schmelze beim Nachfüllen wesentlich reduziert, mit dem Ergebnis, dass die Oxidhautbildung und Gasaufnahme der Metallschmelze aufgrund des weitgehend verwirbe lungsfreien Schmelzeeintrags ebenso wie eine durch aufspritzende Metallparti kel verursachte Korundbildung wirksam unterdrückt werden und dadurch si chergestellt wird, dass das Schmelzbad im Ofen und demzufolge auch die Metallfüllung der Gießform von störenden Verunreinigungen, wie Gas-, Oxid haut- oder Korundeinschlüssen, freigehalten und die Gussqualität signifikant verbessert wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Metallspiegel im Füllrohr nach Anspruch 2 im Hinblick auf eine einfache Niveauregelung wäh rend der Nachfüllphase durch eine füllstandssignalabhängige Gasdrucksteue rung des Füllrohr-Ofensystems auf die angegebene Füllstandshöhe gebracht.

Wird, wie nach Anspruch 3 bevorzugt, die Metallschmelze beim Formfüllvor gang unter Niederdruckwirkung aus dem Schmelzeofen in eine mit dem Steig rohr selektiv koppelbare Gießform gedrückt, so wird das Füllrohr in besonders bevorzugter Weise ständig unter Umgebungsdruck gehalten und der Gasdruck im Schmelzeofen zwischen den Formfüllphasen kontinuierlich auf einen den Metallspiegel im Füllrohr auf dem Höhenniveau des gießformseitigen Steigrohr- Auslassbereichs haltenden Überdruckwert eingeregelt. Dies bewirkt, dass der Metallspiegel im Füllrohr beim Befüllen der Gießform im gleichen Maß wie in dieser ansteigt, zwischen den Formfüllphasen aber weder im Füll- noch im Steigrohr unter das Höhenniveau des Steigrohr-Auslassbereichs absinkt, so dass der Schmelzeofen jederzeit ohne Unterbrechung der Gießtaktfolge nach gefüllt werden kann, ohne dass das Füllstandsniveau im Steigrohr bei oder nach einem Gießformwechsel auf das Badspiegelniveau des Ofens abfällt und dann durch Erhöhung des Gasdrucks im Ofen erneut angehoben werden muss, wodurch eine äußerst rationelle Druckgassteuerung erzielt wird und die durch schnittlichen Gusstaktzeiten wesentlich verkürzt werden. In diesem Fall wird die Füllstandsmessung im Füllrohr nach Anspruch 4 vorzugsweise auch zur Überwachung und Steuerung des Schmelzeanstiegs in der Gießform bis zum Erreichen der oberen Formfüllgrenze eingesetzt und somit die sonst zu diesem Zweck erforderliche, gesonderte Füllstandsmessung unmittelbar an der Gieß form entbehrlich gemacht.

Nach einer weiteren, ebenfalls besonders zweckmäßigen Verfahrensvariante gemäß Anspruch 5, wonach die Metallschmelze wiederum unter Niederdruck wirkung in eine mit dem Steigrohr selektiv koppelbare Gießform gedrückt wird, wird der Gasdruck oberhalb des Metallspiegels im Füllrohr mit Hilfe eines füll standssignalabhängig betätigten, einerseits mit dem Umgebungsdruck und an dererseits mit dem Ofendruck beaufschlagten 3-Wege-Ventils derart gesteuert, dass das Einfüllniveau im Füllrohr nur für die Dauer der Nachfüllphase auf die Höhe des Steigrohr-Auslassbereichs gebracht, ansonsten aber auf das Metall badniveau des Ofens abgesenkt wird. Auch hier ist es jederzeit ohne Unterbrechung des Arbeitsprozesses möglich, das Schmelzbad im Ofen auf dem Wege über die dann im Füllrohr angehobene Flüssigmetallsäule nachzufüllen, wäh rend der Metallspiegel im Steigrohr unabhängig von dem Nachfüllvorgang beim Befüllen der Gießform bis zur oberen Formfüllgrenze angehoben und bei oder nach einem Gießformwechsel auf der Höhe des Steigrohr-Auslasses gehalten wird. Zusätzlich ergibt sich bei dieser Variante der thermische Vorteil, dass durch das Absenken der Metallschmelze im Füllrohr zwischen den Nachfüll phasen auf einfache Weise verhindert wird, dass sich das Flüssigmetall im Füllrohr zu stark abkühlt und dann an der Füllrohr-Innenwand niederschlägt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, bei spielsweisen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Diese zeigen in stark schematisierter Darstellung:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gieß anlage im Schnitt; und

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Gießanlage dient zur Herstellung von Aluminium- Gussteilen nach dem Niederdruckverfahren und enthält einen Schmelzeofen 2 mit einem in das Schmelzbad 4 eintauchenden, über die Ofenoberseite hinaus ragenden Steigrohr 6 zum Befüllen einer selektiv mit dem oberen, trichterförmig erweiterten Steigrohrende koppelbaren Gießform 8 sowie mit einem ebenfalls in das Metallbad 4 eintauchenden Füllrohr 10, welches am oberen, über die Füllobergrenze A der Gießform 8 hinausragenden Ende durch einen Deckel 12 mit einer Nachfüll- und Entlüftungsöffnung 14 verschlossen ist.

Der Gasdruck im Ofeninneren wird mit Hilfe einer insgesamt mit 16 bezeich neten Gasdruckregelung einreguliert, welche aus einem Druckgasbehälter 18, einem zwischen diesem und einer Entlüftungs- und einer Schließlage umsteu erbaren Mehrwegeventil 20, einer Steuereinheit 22 zur Ventilbetätigung sowie einem das Höhenniveau der Flüssigmetallsäule im Füllrohr 10 messenden, ausgangsseitig an die Steuereinheit 22 angeschlossenen Füllstandsensor 24 besteht, wobei das Füllstandsniveau im Steigrohr 6 und in der Gießform 8 nach dem Prinzip kommunizierender Röhren auf gleicher Höhe wie im Füllrohr 10 liegt und daher vom Sensorsignal miterfasst wird.

Die in Fig. 1 gezeigte Gießanlage arbeitet wie folgt: Außerhalb der eigentlichen Formfüllphasen, also etwa bei einem Wechsel der Gießform 8, wird der Gas druck im Schmelzeofen 2 sensorsignalgesteuert so hoch eingestellt, dass der Metallspiegel im Füllrohr 10 und somit auch im Steigrohr 6 auf dem Höhenni veau B des gießformseitigen Steigrohr-Auslassbereichs gehalten wird. Dieser Zustand ist in Fig. 1 dargestellt.

Zum Befüllen der Gießform 8 wird der Gasdruck im Ofen 2 erhöht, so dass die Gießform 8 zunehmend befüllt wird, wobei die Anstiegsgeschwindigkeit der Schmelze von der Steuereinheit 22 mit Hilfe des Füllstandssignals des Sensors 24 überwacht wird, bis der Sensor 24 anzeigt, dass die obere Formfüllgrenze A erreicht ist, woraufhin der Ofendruck nach Ablauf einer vorgegebenen Abkühl zeit der Gießform 8 erneut auf den dem Füllstandsniveau B entsprechenden Druckwert abgesenkt wird und das Gussteil entformt werden kann.

Um eine zu starke Abkühlung der über das Schmelzbad 4 angehobenen Flüs sigmetallsäule zu verhindern, kann das Steigrohr 6 und eventuell auch das Füllrohr 10 mit einer individuell regelbaren Zusatzheizung 26 versehen sein.

Mit der beschriebenen Gießanlage ist ein Nachfüllen von Schmelze z. B. aus einer neben den Ofen 2 verfahrbaren Transportpfanne 28, aus der die Schmel ze mit Hilfe einer Gaspatrone 30 über ein in die Nachfüllöffnung 14 einführba res Verbindungsrohr 32 in das Füllrohr 10 befördert wird, jederzeit ohne Unterbrechung des gießformseitigen Arbeitsablaufs möglich, wobei die freie Fallhö he der Schmelze wegen des angehobenen Einfüllniveaus im Füllrohr 10 sehr gering gehalten wird. Dabei sorgt die Druckgasregelung 16 in der Nach füllphase für eine füllstandssignalabhängige Nachregelung des Ofendrucks, derart, dass sich lediglich der Füllungsgrad des Schmelzeofens 2 erhöht, die programmgeführte Höhenniveauregelung im Füllrohr 10 sowie im Steigrohr 6 bzw. der Gießform 8 jedoch unverändert beibehalten wird.

Die Gießanlage nach Fig. 2, wo die dem ersten Ausführungsbeispiel entspre chenden Komponenten durch ein um 100 erhöhtes Bezugszeichen gekenn zeichnet sind, besitzt als Hauptunterschied eine modifizierte Gasdruckregelung 116, durch die die Flüssigmetallsäulen im Füllrohr 110 einerseits und im Steig rohr 106 bzw. der Gießform 108 andererseits getrennt voneinander eingeregelt werden. Zu diesem Zweck ist der Gasraum am oberen Füllrohrende durch den Deckel 112 druckdicht verschlossen und mit dem Ofeninnenraum über ein von der Steuereinheit 122 betätigtes Steuerventil 34 verbunden, durch welches der Gasdruck im Füllrohr 110 stufenlos zwischen dem vollen Ofen-Innendruck und dem Umgebungsdruck einstellbar ist. Ferner enthält die Gasdruckregelung 116 eine zusätzliche Füllstandsensorik 36, die den Flüssigmetallstand unmittelbar am Steigrohr 106 und an der Gießform 108 misst.

Auf Seiten des Steigrohrs 106 und der Gießform 108 wird der Gießprozess nach Maßgabe des Füllstandssignals der Sensorik 36, im Übrigen aber analog zum ersten Ausführungsbeispiel gesteuert, d. h. die Flüssigmetallsäule im Steigrohr 106 ist ständig zumindest bis zum Höhenniveau B des Steigrohr- Auslassbereichs angehoben und wird in der Formfüllphase programmgeführt in die Gießform 108 gedrückt, bis die Sensorik 36 das Erreichen der oberen Formfüllgrenze anzeigt; auf Seiten des Füllrohrs 110 hingegen wird der Gas druck außerhalb der Nachfüllphasen über das Steuerventil 34 auf das Druckni veau im Ofeninneren eingestellt, so dass der Metallspiegel im Füllrohr 110 auf das Füllstandsniveau des Schmelzbads 104 abgesenkt ist (Fig. 2), während das Füllrohr 110 für den Nachfüllvorgang mit Hilfe des Steuerventils 34 soweit druckentlastet wird, dass die Flüssigmetallsäule im Füllrohr 110 auf das Steig rohr-Auslassniveau B ansteigt. Anschließend wird das Verbindungsstück 38 mit dem entsprechenden Verbindungsstück 40 der Transportpfanne 128 verkop pelt, das Ventil 42 geöffnet und die gewünschte Schmelzemenge nachgefüllt, wobei das Einfüllniveau durch Nachregelung des Füllrohrdrucks konstant auf dem Steigrohr-Auslassniveau B gehalten und die durch die Nachfüllmenge verursachte Füllstandsänderung im Ofen 102 von der Gasdruckregelung 116 insoweit ausgeglichen wird, dass der gießformseitige Arbeitstakt hiervon nicht beeinflusst wird. Nach Beendigung des Nachfüllvorgangs wird das Ventil 42 geschlossen und der Gasraum im Füllrohr 110 erneut mit dem vollen Ofen druck beaufschlagt. Ansonsten ist die Bau- und Betriebsweise der Gießanlage nach Fig. 2 die gleiche wie die des ersten Ausführungsbeispiels.

Anstatt mit Luft kann das Füllrohr-Ofensystem im Rahmen der Erfindung auch mit einem Inertgas betrieben werden.

Claims

1. Metallgießverfahren, insbesondere Niederdruck-Gießverfahren zur Se rienfertigung von Aluminium-Gussteilen, bei dem die Metallschmelze aus einem über ein Füllrohr periodisch nachfüllbaren Schmelzeofen unter Zwischenschaltung eines in das Schmelzbad eintauchenden Steigrohrs in die Gießform eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllstandsniveau im Füllrohr in der Nachfüllphase des Schmelze ofens kontinuierlich gemessen und der Metallspiegel im Füllrohr für die Dauer des Nachfüllvorgangs nach Maßgabe des Füllstandssignals auf einer zumindest dem Höhenniveau des gießformseitigen Steigrohr- Auslassbereichs entsprechenden Füllstandshöhe gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallspiegel im Füllrohr durch eine füllstandssignalabhängige Gas drucksteuerung des Füllrohr-Ofensystems während der Nachfüllphase auf der angegebenen Füllstandshöhe gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Metallschmelze beim Formfüll vorgang unter Niederdruckwirkung aus dem Schmelzeofen in eine mit dem Steigrohr selektiv koppelbare Gießform gedrückt wird, dadurch ge kennzeichnet, dass das Füllrohr ständig unter Umgebungsdruck gehalten und der Gasdruck im Schmelzeofen zwischen den Formfüllphasen kontinuierlich auf einen den Metallspiegel im Füllrohr auf dem Höhenniveau des gießformseiti gen Steigrohr-Auslassbereichs haltenden Überdruckwert eingeregelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Erreichen des oberen Formfüllniveaus mit Hilfe der im Füllrohr ge messenen Füllstandshöhe bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Metallschmelze beim Formfüll vorgang unter Niederdruckwirkung aus dem Schmelzeofen in eine mit dem Steigrohr selektiv koppelbare Gießform gedrückt wird, dadurch ge kennzeichnet, dass der Gasraum oberhalb des Metallspiegels im Füllrohr ventilgesteuert zwischen den Nachfüllphasen mit dem Gasdruck im Schmelzeofen be aufschlagt und für die Dauer des Nachfüllvorgangs nach Maßgabe des Füllstandssignals bis zum Anstieg des Füllrohr-Metallspiegels auf das Höhenniveau des gießformseitigen Steigrohr-Auslassbereichs druck entlastet wird.

6. Metallgießvorrichtung, insbesondere Niederdruck-Gießvorrichtung zur Serienfertigung von Aluminium-Gussteilen, mit
einem ein Metallbad (4; 104) enthaltenden Schmelzeofen (2; 102),
einem in das Metallbad im Schmelzeofen eintauchenden, die Metallschmelze an die Gießform (8; 108) überführenden Steigrohr (6; 106)
einem ebenfalls in das Metallbad eintauchenden Füllrohr (10; 110) zum periodischen Nachfüllen des Schmelzeofens,
einem den Schmelzestand im Füllrohr messenden Sensor (24; 124), und
einer sensorgesteuerten, den Metallspiegel im Füllrohr beim Nachfüllvorgang auf einer zumindest dem Höhenniveau (B) des gießformseitigen Steigrohr-Auslassbereichs entsprechenden Füll standshöhe haltenden Gasdruckregelung (16; 116) für das Füll rohr-Ofensystem.