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Gegenstand der Erfindung ist ein
Verfahren und entsprechende Vorrichtungen, bei dem Schmelzen oder
andere fluide Stoffe ohne unerwünschte
Eigenschaftsänderungen
aus einem Vorratsbehälter entnommen,
abgemessen und auch über
größere Wegstrecken
einer Gießmaschine
oder Gießform
zugeführt
werden.
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Aus der Praxis des Metallgießens sind
eine Vielzahl unterschiedlicher Beschickungseinrichtungen bekannt
(vergl. E. Brunhuber und S. Hasse, Gießereilexikon, Verl. Schiele
und Schön,
Berlin 2001, S. 137–139).
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Hierzu zählen einerseits Schöpflöffel und Tauchtiegel
mit Bodenverschluss. Bei diesen Vorrichtungen ist die traditionelle
Handarbeit des Gießers mechanisiert,
bei der an offener Atmosphäre
das für einen
Guss erforderliche Schmelzequantum dem Ofen entnommen und mit frei
fallendem Gießstrahl
in die Form oder Gießmaschine
entleert wird. Dabei sind Prozessstörungen durch die verstärkte Bildung von
Oxiden und Wasserstoffaufnahme infolge der erforderlichen überhöhten Schmelzetemperatur
sowie Anhaftungen und Verschmutzung der Fließwege für die Schmelze unvermeidbar.
Die Verunreinigungen werden häufig
in das Gussgefüge
eingeschleppt und beeinträchtigen
die Produktqualität.
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Zusätzlicher Aufwand muß zur Verbesserung
der Dosiergenauigkeit mit dem Einsatz von Schwimmern oder Niveaufühlern zur
Kontrolle des sich verändernden
Badspiegels im Warmhalteofen getrieben werden.
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Die Zeitschrift Giesserei 49. Jahrgang (1962),
Heft 14, S. 394–395
beschreibt ein Verfahren zur automatischen Metallbeschickung mit
einem an einer Laufkatze hängenden
Dosier- und Transporttiegel mit Boden-Stopfenverschluss, der zum
Dosieren in das Schmelzebad eines Ofens eingetaucht wird. Zum Füllen und
Entleeren des Tiegels erfolgt die Betätigung des Stopfenventils.
Auch hier muss die Dosiergenauigkeit mit Hilfe eines Schwimmers
verbessert werden. Nachteilig bei diesem System ist die mangelnde
Prozesssicherheit des Stopfenventils sowie Schwankungen bei der
Temperatur und der Dosiergenauigkeit infolge von Metall anhaftungen
und Leckagen und nicht zuletzt ein hoher Aufwand und Verschleiss
an mechanischen Komponenten.
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Bei den Dosieröfen andererseits wird für den Schmelzetransport über Steigrohr
und angeschlossene offene Rinne im großen Ofenvolumen der Gasdruck
im Dosiertakt variiert. Dies führt
zunächst
zu einem erheblichen Gasverbrauch und Aufwand bei der Gasdrucksteuerung.
Das fließende
Schmelzequantum wird hier über
die Zeit gesteuert, was erfahrungsgemäß erhebliche Schwankungen verursacht.
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Bei den Dosiergefäßen im Schmelzebad des Ofens
ist die Qualitätsbeeinträchtigung
der Schmelze durch hohe Temperaturen und Fließen an offener Atmosphäre ebenfalls
unvermeidlich.
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Das Verfahren nach
DE 19821946 A1 sucht diese
Nachteile zu beheben, muss jedoch auf aufwendige Zusatz-Komponenten
wie Schieberventil, kippbare Quantifizierbehälter oder Steigrohre zurückgreifen
und kann einen frei fallenden Gießstrahl der Schmelze an Luft
vor Eintritt in die Form oder Gießmaschine nicht vollständig vermeiden.
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Im Hinblick auf die Formfüll- und
Erstarrungsvorgänge
in der Gießform
wird bei den bekannten Dosiermethoden auf die herkömmlichen
Abläufe des
Druck- oder Schwerkraftgießens
zurückgegriffen.
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Bei allen derzeit im Einsatz befindlichen
Verfahren und Vorrichtungen zum automatischen Dosieren und Transportieren
von Schmelzen im rauhen Gießereibetrieb
an offener Atmosphäre
ist die Qualität
des Produktionswerkstoffs unbefriedigend, der Aufwand bei den Anlagen
erheblich, was insgesamt zu eingeschränkter Prozesssicherheit, Anlagenverfügbarkeit
und Wirtschaftlichkeit führt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein einfaches, prozesssicheres und dabei flexibles Verfahren
zu schaffen, welches die geschilderten Mängel herkömmlicher Methoden mit dem Einsatz zusätzlicher
mechanischer Komponenten und Abdichtungen für die Schmelze überwindet
und darüber hinaus
neue Möglichkeiten
eröffnet,
den Formfüll- und
Erstarrungsvorgang in der Gießform
zu optimieren.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden
in einem abgedichteten unter Schutzgas stehenden und zwischen Ofen
und Gießform
oder Gießmaschine
mobil oder stationär
angeordneten System mit zwei auf unterschiedlicher Höhe liegenden
Durchflussöffnungen zum
quantifizierenden Füllen
mit einer Schmelze und anschließenden
Entleeren ohne Atmosphärenzutritt in
mehreren Druckräumen
Gasdruckdifferenzen eingestellt.
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Zum Verfahrensablauf wird im Fall
der mobilen Variante die Einrichtung mit zwei ineinander stehenden
Rohren über
das Schmelzebad eines Ofens gebracht und mit der unteren Mündung ihres
nach unten herausragenden inneren Rohres eingetaucht. Durch Gasdruckerniedrigung
im Gefäß steigt
die Schmelze im inneren Rohr hoch, fließt über seine obere Mündung nach
unten durch den Hohlraum zwischen den Rohren und füllt durch
den Ringspalt des äußeren Rohrs
am Gefäßboden steigend
das Dosiergefäß auf, bis
ein Pegelstand über
der oberen Mündung
des inneren Rohrs erreicht ist. Durch Druckausgleich auf Atmosphärendruck
im Gefäß fließt Schmelze
dann über
das innere Rohr in den Ofen zurück,
bis das Schmelzequantum durch die obere Mündung des inneren Rohrs begrenzt
ist. Nun kann das Dosiergefäß mit der
Schmelze zur Gießmaschine
oder Gießform
gebracht und durch Gasdruckerhöhung
im Gefäß entleert
werden. Dabei verschließt
die zuerst ausgetretene Schmelze die untere Mündung des Innenrohrs gegen
Lufteintritt, so dass die Ausfließgeschwindigkeit allein über den
Druck geregelt werden kann.
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Im Beispiel der stationären Einrichtung
wird die Schmelze mit Gasdruck über
das Steigrohr eines abgedichteten Ofens zur Füllung durch die obere Durchflussöffnung in
ein angeschlossenes horizontales oder schrägliegendes Rohr gedrückt. Nach Druckreduzierung
sinkt der Schmelzepegel im Steigrohr unter die obere Durchflussöffnung,
das Schmelzevolumen im Rohr ist quantifiziert. Danach wird der Gasdruck über der
oberen Durchflussöffnung
erhöht und
die Schmelze aus dem Rohr durch die untere Durchflussöffnung mit
angeschlossener doppelter Umlenkung in die Gießmaschine oder Gießform befördert.
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Für
beide Varianten kommt ein geschlossenes Schutzgassystem zum Einsatz,
bei dem das Gasvolumen über
zahlreiche Dosierzyklen erhalten bleibt und lediglich geringfügige Leckverluste
ergänzt werden
müssen.
Die für
das Schmelzedosieren erforderlichen Gasdruckdifferenzen werden mit
Hilfe eines elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Antriebs
erzeugt und durch geeignete Ventile geregelt.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung
erstrecken sich zunächst
auf den Erhalt der metallurgischen Qualität der Schmelze beim Dosieren
und Transportieren. Durch die Schmelzeführung im geschlossenen Schutzgassystem
werden alle schädlichen
Einflüsse
beim freien Fall des Schmelzestrahls an Atmosphäre oder beim Fließen in einer
offenen Rinne, an erster Stelle Oxidbildung und Wasserstoffaufnahme,
ausgeschaltet. Weiterhin kann der nachteilige Temperaturverlust
beim Schmelzetransport unterbunden und die beim Stand der Technik
erforderlichen Überhitzungen
vermieden werden.
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Das geschlossene Schutzgassystem
ermöglicht
durch die Gasrückgewinnung
auch den Einsatz teurerer Gase wie z. B. Argon. Dieses kann bei
besonders reaktiven Schmelzen beispielsweise Magnesiumlegierungen
auf nunmehr wirtschaftliche Weise verwendet werden.
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Hervorzuheben ist weiterhin die Verbesserung
der Dosiergenauigkeit. Der Verzicht auf die Zeisteuerung bei der
Schmelzequantifizierung eliminiert die Streuungen beim Stand der
Technik, erhöht
die Prozesssicherheit und ermöglicht
deutliche Materialeinsparungen.
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Ein besonderer Vorteil ist auch bei
der Beförderung
der Schmelze aus dem Dosiergefäß in den Gießtümpel einer
Gießform,
Gießmaschine
oder die Schusskammer einer Druckgießmaschine zu sehen. Die aus
dem Ausflussrohr zuerst austretende Schmelze verschließt die untere
Rohrmündung
gegen die Atmosphäre,
so dass jetzt die Fließgeschwindigkeit
unabhängig
von der Fallbeschleunigung allein über den Gasdruck geregelt werden
kann. In Verbindung damit eröffnet
das neue Verfahren wichtige Möglichkeiten,
durch Nachführen
der Ausflussrohrmündung
mit dem steigenden Schmelzepegel eine neue schichtende Füllung von
Form und Gießmaschine
zu erreichen und den Gießprozess
insgesamt zu verbessern. So wird beim Formfüllvorgang die Schmelze auf
kürzestem
Weg befördert
und der anschließende
Erstarrungsablauf im Sinne einer gelenkten Erstarrung optimiert.
Damit kann die Bauteilqualität
erhöht,
die Prozesssicherheit gesteigert und die Gesamtwirtschaftlichkeit
verbessert werden.
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Schließlich ist die universelle Anwendbarkeit der
Erfindung bei allen bekannten Gießverfahren wie Sand – Kokillen – und Druckguss – einschließlich Vacural-Verfahren- sowie
Feinguss, Strangguss und Lost Foam – Guss oder auch Gradientenguss
mit mehreren Schmelzen hervorzuheben. So können die bei herkömmlicher
Praxis häufig
nacheinander verlaufenden Verfahrensschritte weitgehend kombiniert und
dadurch verkürzt
werden, was ihre Wirksamkeit deutlich verbessert.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen
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1 einen
Vertikalschnitt eines mobilen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 2 einen Vertikalschnitt
eines stationären
Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Verbindung mit der Schusskammer einer Druckgießmaschine, 3 ein Beispiel für ein Druckregelungsprinzip
der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 4 skizziert ein Anwendungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Verbindung mit einer Gießform.
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Das Ausführungsbeispiel nach 1 zeigt ein Gefäß 1 mit
einem dicht verbundenen Deckel 2, aus dem ein äußeres Rohr 3 nach
unten zum Gefäßboden auf
Abstand mit Ringspalt 8 führt. In dieses äußere Rohr 3 ragt
von unten das mit dem Gefäßboden auch
höhenverstellbar
(nicht dargestellt) verbundene innere Rohr 4, dessen obere
Mündung 7 den
Dosierpegelstand definiert und dessen untere Mündung 9 zur Füllung des
Gefäßes 1 in
einen Schmelzevorrat 10 eintaucht. Die Höhenverstellbarkeit
des inneren Rohres 4 schafft die Möglichkeit, das Dosierquantum zu
verändern.
Im oberen Teil des Gefäßes 1 sind
die Räume 11 und 12 während des
Betriebs mit Gas gefüllt,
dessen Druckregelung über
die Anschlüsse 5 und 6 die
für die
Dosierung erforderlichen Schmelzepegelstände einstellt.
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Sowohl in das äußere 3 als auch innere
Rohr 4 kann zum Halten der Schmelzetemperatur eine Heizung
eingebaut sein, das Gefäß 1 kann
aber auch auf herkömmliche
Art von außen
beheizt werden. Ferner können
zur weiteren Absicherung (Redundanz) der Gasdruckregelung Niveausonden 13, 14 angebracht
werden.
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Zum Funktionsablauf wird der Druck
in den Räumen 11 und 12 unter
Atmosphärendruck
erniedrigt, so dass die Schmelze im inneren Rohr 4 hochsteigt,
aus der Mündung 7 nach
unten fließt
und durch den Ringspalt 8 steigend das Gefäß 1 füllt. Nach
Erreichen eines Pegelstandes von einigen Millimetern über der
Rohrmündung 7 erfolgt
der Druckausgleich mit dem Atmosphärendruck. Dies bewirkt ein
Absinken des Schmelzepegels auf die Höhe der Rohrmündung 7,
womit das gewünschte
Dosierquantum erreicht ist. Durch Gaszufuhr über Leitung 5 in den
Raum 12 fällt
der Pegel in Rohr 4 auf das Niveau des Schmelzevorrats 10.
Jetzt kann die Rohrmündung 9 aus
dem Schmelzevorrat 10 gezogen und das Gefäß 1 mit
dem dosierten Schmelzequantum zur bereitstehenden Gießform oder
Gießmaschine
gebracht werden. Hier senkt sich die Rohrmündung 9 auf wenige
Millimeter über
dem Boden des Auffanggefäßes von
Gießform
oder Gießmaschine.
Jetzt wird der Gasdruck in Raum 11 des Gefäßes erhöht, wodurch
die Schmelze über
den Ringspalt 8 und die obere Mündung 7 des Rohres 4 ausfließt. Da die
zuerst ausgetretene Schmelze im Auffanggefäß von Gießform oder -Maschine die Rohrmündung 9 gegen Luftzutritt
verschließt,
kann die Entleerungsgeschwindigkeit des Gefäßes 1 unabhängig von
der Fallbeschleunigung über
den Druck in Raum 11 geregelt werden. Die am Ende der Schmelzedosierung aus
Gefäß 1 durch
den Ringspalt 8 in den Raum 12 austretenden Gasblasen
erzeugen ein Unstetigkeit im Druckverlauf und können vom Regler als Signal für die Beendigung
des Dosiervorgangs genutzt werden.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 zeigt schematisch eine
stationäre
Dosiervorrichtung, die in Verbindung mit einem Niederdruckofen arbeitet. Durch
den Deckel des Niederdruckofens 1 führt höhenverstellbar das Steigrohr 2,
dessen oberes Ende mit einem Gasdruckanschluss 3 verschlossen
ist. An das Steigrohr 2 ist ein schrägliegendes Dosierrohr 4 angeschlossen,
an dessen Enden sich die Durchflussöffnungen 5 und 6 befinden.
Die untere Durchflussöffnung 6 mündet in
das Gefäß 7 mit
dem Gasdruckanschluss 8. Im Gefäß 7 befindet sich
das Ausflussrohr 9, dessen untere Mündung 10 im dargestellten Fall
in die Schusskammer 11 einer Kaltkammer-Druckgießmaschine ragt. Zur Vermeidung
von Temperaturverlusten der Schmelze können in das Steigrohr 2,
das Dosierrohr 4 sowie das Gefäß 7 Heizungen eingebaut
sein.
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Zum Funktionsablauf wird der Gasdruck
im Niederdruckofen 1 erhöht. Damit steigt die Schmelze im
Steigrohr 2 auf ein Niveau, das im Bereich der halben Höhe der Durchflussöffnung 5 liegt.
Nun füllt
die Schmelze das Dosierrohr 4 und gelangt durch die Durchflussöffnung 6 im
Gefäß 7 auf
einen Pegelstand, der mit dem in der Durchflussöffnung 5 kommuniziert.
Während
dieses Füllvorgangs
kann das Gas aus dem Dosierrohr 4 über den geöffneten Gasdruckanschluss 3 in
das nicht dargestellte Druckregelsystem entweichen. Jetzt wird der
Gasdruck im Niederdruckofen 1 leicht reduziert, die Schmelze
im Steigrohr 2 fällt
unter die Unterkante der Durchflussöffnung 5, das gewünschte Dosierquantum
ist erreicht. Danach wird die dosierte Schmelze durch eine Gasdruckerhöhung über Anschluss 3 durch
das Gefäß 7 und
das Ausflussrohr 9 in die Schusskammer 11 der
Druckgießmaschine
befördert.
Auch hier verschließt
die zuerst ausgetretene Schmelze die untere Mündung des Ausflussrohres 9,
so dass die Füllgeschwindigkeit
in der Schusskammer 11 unabhängig von der Fallbeschleunigung über die
Gasdruckanschlüsse 3 und 8 geregelt
werden kann. Über
den Gasdruckanschluss 8 kann das Gefäß 7 und das Ausflussrohr 9 sowie
die Schusskammer 11 mit Schutzgas geflutet werden, wobei
auch eine Abdichtung 13 zwischen dem Ausflussrohr 9 und
der Schusskammer 11 beispielsweise mit einem Faltenbalg
möglich
ist. Letzteres erscheint insbesondere bei einer Zwangsentlüftung der
Gießform,
z. B. Vacural-Verfahren, von Vorteil. Die am Ende des Dosiervorgangs
durch die untere Durchflussöffnung
in das Gefäß 7 austretenden
Gasblasen erzeugen eine Unstetigkeit im Druckverlauf und können wiederum
als Signal, beispielsweise für
das Herausfahren des Rohres 9 aus der Schusskammer 11 und
Auslösen des
Schusses, genutzt werden.
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Die Befüllung des Niederdruckofens 1 erfolgt auf
herkömmliche
Weise nach Entfernung seines Deckels. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung
besteht auch die Möglichkeit,
den Ofen nach dem Eintauchen der Rohrmündung 10 in einen
externen Schmelzevorrat mit Hilfe der Gasdruckregelung nachzufüllen.
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3 zeigt
als Beispiel das Prinzip einer Gasdruckregelung für das erfindungsgemäße Verfahren
mit Schutzgasrückgewinnung:
Aus
der Hochdruckflasche 1 wird das System mit den Niederdruckbehältern 2 und 3 über ein
Reduzierventil mit Gas gefüllt
und eventuell auftretende Leckagen im Dauerbetrieb ergänzt. Die
Pumpe 4 hält zwischen
den Behältern 2 und 3 ein Druckgefälle aufrecht,
das über
die Reglergruppen 5 und 6 die angeschlossenen
Dosiereinrichtungen nach 1 und 2 versorgt.
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Anstelle dieses Beispiels können auch
andere geeignete Einrichtungen für
den Erhalt einer Schutzgasfüllung
wie Pneumatik-Zylinder mit Kolben oder mit Gummibalg oder Metall-Faltenbalg
ausgerüstete
Behälter
zum Einsatz kommen.
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In 4 schließlich wird
das neue Dosierverfahren in Verbindung mit einer Gießform für den rationellen
Mehrfachguss beispielhaft dargestellt. Das Dosiergefäß 1 entsprechend 1 ist mit einem definierten
Schmelzequantum für
den gleichzeitigen Guss von im Beispiel 16 Trägerplatten
in der Gießform 2 mit
den Formhohlräumen 5 gefüllt. Nach
Absenken der Rohrmündung 9 in
den Bodenbereich der Gießform 2 fließt die Schmelze
aus Gefäß 1 in
den zentralen Speisereinguss 3 und von dort über die
vertikalen Schlitzanschnitte 4 gleichzeitig in die 16 Hohlräume 5 der
Gießform 2.
Das Dosiergefäß 1 folgt
mit seiner Rohrmündung 9 dem
steigenden Schmelzepegel in der Gießform 2 nach oben,
wobei jedoch die Rohrmündung 9 in
geringem Abstand stets unter der Schmelzeoberfläche gehalten wird. Auf diese Weise
kann eine schichtende Formfüllung
erzielt werden, die neben dem turbulenzfreien Zufluss ein weiteres
Durchfließen
tieferliegender bereits gefüllter Formbereiche
vermeidet und so ideale Voraussetzungen für den anschließenden gelenkten
Erstarrungsablauf schafft. Nach beendeter Formfüllung und Entfernung des Dosiergefäßes 1 ist
es möglich, den
zentralen Speisereinguss 3 abzudeckeln und im abgedichteten
Raum darüber
den Gasdruck mit dem Ziel einer Verbesserung der Speiserwirksamkeit
zu erhöhen.
Darüber
hinaus lassen sich in dem kompakten Formenpaket in einfacher Weise
vom Umfang in Richtung Speisereinguss 3 als thermisches
Zentrum in bekannter Weise (vergl. DEPS 2646060 C3) Kühlelemente
einbauen, die eine weitgehend gelenkte Erstarrung mit Taktzeitverkürzung bewirken.
Beim Lost Foam Guss wird beispielsweise die Ausflussöffnung 9 in 1 in den Bodenbereich des
zentralen Speisereingusses 3 der 4 gebracht und dem steigenden Schmelzepegel
nachgeführt,
wobei hier das verlorene Modell eine dem Rohr 4 entsprechende
Aussparung aufweist. Die schichtende Formfüllung vermeidet auch hier alle
Turbulenzen und erzielt eine gleichmäßige Modellvergasung von unten
nach oben.
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Der Speisereinguss 3 kann
grundsätzlich auch
mit anderen bekannten Methoden, beispielsweise nach dem Niederdruck-Gießverfahren,
von unten befüllt
werden.
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Weiterhin ist es möglich, den
Speisereinguss 3 der abgedichteten Gießform 2 in der Weise
zu füllen,
dass der Schmelzezufluss aus der unteren Rohrmündung 9 eines Dosiergefäßes über den
Gasdruck in der Gießform
geregelt wird. Hierbei kann die Nachführung der Rohrmündung 9 mit
dem steigenden Schmelzepegel beispielsweise durch den Einsatz einer
gasdichten Gleitführung
im Deckel der Gießform 2 erfolgen.
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Die insgesamt günstigen Gießbedingungen gemäß der Endung
ergeben eine optimale Grundlage für gute Gussqualität mit minimalem
Ausschussanteil bei gleichzeitig hoher Produktivität. Da Vor-
und Rückseite
der Formsegmente den formgebenden Hohlraum bilden, wird auch die
Formherstellung insgesamt deutlich rationalisiert.