Verfarhen und Vorrichtung zur Herstellung von vorzugsweise einteiligen Legierungskörpern aus Flüssigmetall

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von vorzugsweise einteiligen Legierungskörpern aus Flüssigmetall, insbesondere von einteiligen Qualitätslegierungskörpern aus (Aluminium-)Gusslegierungen, mit folgenden Verfahrensschritten:

• a) zunächst wird das Flüssigmetall in eine Gießmulde mit zumindest einer bodenseitigen Ausflussöffnung eingefüllt;
• b) das aus der Ausflussöffnung austretende Flüssigmetall wird darauffolgend in unterhalb der Gießmulde fortbewegte Kokillenformen abgegeben;
• c) die im Zuge der Fortbewegung der Kokillenformen erstarrenden Legierungskörper werden abschließend im Transportbehälter eingefüllt.

Ein Verfahren der vorgenannten Schrittabfolge ist durch die JP-A-032608842 bekannt geworden. Die Größe und/oder das Gewicht der Legierungskörper wird jedoch fest eingestellt, lässt sich also nicht variieren.

Daneben kennt man ein Verfahren zur Herstellung von vorzugsweise einteiligen Legierungskörpern aus der WO 95/13153 A1. Auch hier gelangt Flüssigmetall aus einer Gießmulde in unterhalb der Gießmulde fortbewegte Kokillenformen. Um die Masselgröße konstant zu halten, wird lediglich die Geschwindigkeit des Transportbandes kontrolliert. Wie dies im Einzelnen geschieht, bleibt jedoch offen.

Die schließlich noch interessante FR-A-1 499 513 beschäftigt sich ebenfalls mit einem Herstellungsverfahren für Legierungskörper. Auch in diesem Fall fehlen Angaben dahingehend, wie diese Legierungskörper hinsichtlich Größe und/oder Gewicht verändert werden können.

Als (Aluminium-)Gusslegierungen mögen solche nach DIN 172552 eingesetzt werden. Unter Qualitätslegierungskörpern sind im Rahmen der Erfindung solche Legierungskörper zu verstehen, deren Legierungskomponenten gewichtsmäßig (nach DIN) definiert (und reproduzierbar) eingestellt sind. Dies wird üblicherweise in einem vorgeschalteten Schmelzofen vorgenommen.

Neben dem angeführten druckschriftlichen Stand der Technik sind zahlreiche Herstellungsverfahren für Legierungen bzw. Legierungskörper aus Flüssigmetall aus der Praxis bekannt. Derartige Legierungskörper werden regelmäßig produziert, um bei der anschließenden Verarbeitung wieder aufgeschmolzen und in die gewünschte (Gieß-)Form gebracht zu werden. Zum Transport werden die zumeist quaderförmigen Legierungskörper, z. B. Masseln mit einem Gewicht von 4 bis zu 25 kg, in stapelbare Blöcke fester Losgrößen konfektioniert und üblicherweise umreift. Hierfür sind Stapelmaschinen erforderlich, die relativ aufwendig gestaltet sind und nicht immer störungsfrei arbeiten. Dies lässt sich größtenteils auf die im Zuge der Erstarrung des Flüssigmetalls anstehenden hohen Temperaturen zurückführen. Im Übrigen sind derartige Stapelmaschinen aufwendig gebaut und demzufolge kostenintensiv.

Unabhängig davon ist es bekannt, Flüssigmetall mittels wärmeisolierender Behälter direkt an beispielsweise Gießereien zu liefern. Derartige Vorgehensweisen sind jedoch nur bei großen Flüssigmetallmengen rentabel durchführbar. Im Übrigen ist eine Bevorratung schwierig. - Hier will die Erfindung insgesamt Abhilfe schaffen.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von vorzugsweise einteiligen Legierungskörpern aus Flüssigmetall anzugeben, mit deren Hilfe derartige Körper einfach und preisgünstig hergestellt und transportiert werden können, wobei die Möglichkeit bestehen soll, die Größe und/oder das Gewicht der Legierungskörper variieren zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein gattungsgemäßes Verfahren im Rahmen der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Ausflussgeschwindigkeit und/oder die Ausflussrate des Flüssigmetalls aus der oder den Ausflussöffnungen gesteuert oder geregelt wird, und zwar in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Kokillenformen und/oder der Größe bzw. des Gewichts der herzustellenden Legierungskörpern. Mit anderen Worten lässt sich die Größe und/oder das Gewicht der Legierungskörper mit Hilfe der Ausflussgeschwindigkeit, der Ausflussrate sowie der Geschwindigkeit der Kokillenformen steuern oder regeln.

So führt eine große Geschwindigkeit der Kokillenformen bei vorgegebener Ausflussgeschwindigkeit und Ausflussrate, d. h. Flüssigmetallmenge pro Zeiteinheit, i. d. R. zu kleinen und leichten Legierungskörpern. Deren Größe und/oder Gewicht kann messtechnisch erfasst oder berechnet werden und lässt sich steigern, indem entweder die Geschwindigkeit der Kokillenformen reduziert oder - was besser ist - die Ausflussrate und/oder Ausflussgeschwindigkeit erhöht wird. Die Ausflussrate kann im einfachsten Fall durch das Öffnen weiterer Ausflussöffnungen vergrößert werden, während die Ausflussgeschwindigkeit am besten durch Variation des Flüssigkeitsstandes in der Gießmulde und damit des hydrostatischen Druckes im Bereich der jeweiligen bodenseitigen Ausflussöffnung verändert wird. Selbstverständlich kann zusätzlich oder alternativ die Größe der jeweiligen Ausflussöffnung angepasst werden.

Im einfachsten Fall kann dies so geschehen, dass die Ausflussöffnungen als austauschbare Düsen ausgeführt sind. Fraglos sind an dieser Stelle auch Düsen mit einstellbarem Querschnitt denkbar. Die Ausflussrate des Flüssigmetalls also die Masse bzw. das Gewicht pro Zeiteinheit, kann dann variiert werden, indem die Ausflussöffnung entsprechend geöffnet oder geschlossen wird und ggf. die Ausflussgeschwindigkeit erhöht wird. Dies lässt sich in der beschriebenen Art und Weise dadurch erreichen, dass der Stand des Flüssigmetalls in der Gießmulde variiert wird und sich demzufolge der hydrostatische Druck im Bereich der Ausflussöffnungen und damit die Ausflussgeschwindigkeit entsprechend verändert.

Zu diesem Zweck lässt sich der Füllstand des Flüssigmetalls in der Gießmulde ermitteln, und zwar zumeist berührungslos mittels Laserstrahlen. In gleicher Weise kann der Füllstand des Flüssigmetalls in der jeweiligen Kokillenform erfasst werden, nämlich ebenfalls berührungslos mittels Laserstrahlen abgetastet werden. Auch der Füllgrad des Transportbehälters wird üblicherweise berührungslos gemessen, und zwar nach bevorzugter Ausgestaltung ebenfalls mittels Laserstrahlen. In Abhängigkeit von diesem Füllgrad wird ein Nachfolgebehälter bereitgestellt.

Die Kokillenformen sind in der Regel Bestandteile eines Gießbandes und werden in Verbindung mit diesem Gießband fortbewegt. Zu diesem Zweck weist das Gießband zumindest zwei längsrandseitige Gliederketten auf, an welche die Kokillenformen angeschlossen sind. Diese Kokillenformen befinden sich in der Regel in Kokillentragkörpern, die im Wesentlichen schuppenartig mit Überlapp aneinandergelegt sind. In diesen Kokillenträgerkörpern finden sich eingeformte Mulden als besagte Kokillenformen.

Zusätzlich können Kühlvorrichtungen vorgesehen sein, mit deren Hilfe sich die Erstarrungsgeschwindigkeiten des Flüssigmetalls in den Kokillenformen gezielt einstellen lässt. Auch wird hierdurch die Temperatur der gesamten Vorrichtung auf einem bestimmten Wert gehalten, so dass Effekte aufgrund Temperaturdrift oder unzulässiger Erwärmung nicht auftreten (können).

Gegenstand der Erfindung ist auch eine im Patentanspruch 6 beschriebene Vorrichtung zur Herstellung von vorzugsweise einteiligen Legierungskörpern gemäß dem vorbehandelten Verfahren. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 7 bis 9.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1

eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht,

Fig. 2

eine Aufsicht auf den Gegenstand nach Fig. 1 und

Fig. 3

verschiedene Ausgestaltungen der mit der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 hergestellten Legierungskörper.

In den Figuren ist eine Vorrichtung zur Herstellung von einteiligen Legierungskörpern 8 dargestellt. Dabei werden die Legierungskörper 8 aus Flüssigmetall geformt, bei welchem es sich nach dem Ausführungsbeispiel um eine Qualitätslegierung aus Aluminium handelt. Dieses Flüssigmetall wird über eine angeschlossene Zufuhrleitung 1 in eine Gießmulde 2 eingefüllt bzw. zugeführt. Diese Gießmulde 2 besitzt bodenseitige Ausflußöffnungen 3. Bei diesen Ausflußöffnungen handelt es sich um keramische Gießdüsen 3, die nach dem Ausführungsbeispiel auswechselbar gestaltet sind. Folglich können Ausflußgeschwindigkeit sowie Ausflußrate des Flüssigmetalls aus der Gießmulde 2 variiert werden. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Anzahl der keramischen Gießdüsen 3 entsprechend zu variieren.

Jedenfalls wird das aus den Ausflußöffnungen bzw. Gießdüsen 3 austretende Flüssigmetall darauffolgend in unterhalb der Gießmulde 2 fortbewegte Kokillenformen bzw. Mulden 4 in Kokillentragkörpern 5 abgegeben.

Dementsprechend erfolgt das Gießen unter Wirkung der Schwerkraft in die metallischen Dauerformen, die Kokillenformen bzw. Mulden 4. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Kokillenformen 4 erfolgt eine beschleunigte Abkühlung der erstarrenden Flüssigmetallschmelze. Im Zuge dieser Abkühlung erfährt das eingefüllte Flüssigaluminium eine Volumenschrumpfung von ca. 5 bis 8 %. Gleichzeitig bildet sich ein feinkörniges, dichtes Legierungsgefüge mit ausgezeichneter Oberflächengüte. Darüber hinaus ist ein insbes. sauberer und oxidfreier Abguß gegeben, weil das Flüssigmetall unterhalb seiner Oberfläche am Boden der Gießmulde 2 durch die keramischen Gießdüsen 3 in die Kokillenformen 4 abgegeben wird, so daß die mit der Umgebungsatmosphäre in Verbindung tretende, für den Abguß relevante, Flüssigkeitsoberfläche auf ein Minimum reduziert ist. Denn unerwünschte Oxide schwimmen auf der Oberfläche des Flüssigmetalls in der Gießmulde 2 auf und werden ggf. abgezogen, stören folglich den bodenseitigen Abguß in die Mulden 4 nicht.

Die Kokillenformen bzw. Mulden 4 sind - wie gesagt - Bestandteil von Kokillentragkörpern 5, in welche die Mulden 4 eingeformt sind. Die vorgenannten Kokillentragkörper 5 sind schuppenartig mit Überlapp aneinandergelegt und jeweils längsrandseitig über dortige Gliederketten 6 miteinander verbunden. Infolge dieses schuppenartigen Aneinanderliegens wird erreicht, daß das aus den Gießdüsen bzw. Ausflußöffnungen 3 abgegebene Flüssigmetall kontinuierlich in die betreffenden Kokillenformen 4 eingefüllt wird, wie dies der vergrößerte Ausschnitt in Fig. 1 deutlich macht. Zu diesem Zweck ist zwischen den Kokillenformen 4 ein dachartiger Verbindungssteg 7 vorgesehen, welcher dafür sorgt, daß ein Strahl S aus Flüssigmetall selbst beim Auftreffen auf einen Zwischenraum zwischen den Kokillenformen 4 einwandfrei in die zugehörigen Mulden 4 geleitet wird.

Im Zuge der Fortbewegung der Kokillenformen 4 erstarren die sich bildenden Legierungskörper 8, was mit der bereits angedeuteten Volumenabnahme verbunden ist. Die erstarrten Legierungskörper 8 werden endseitig eines aus den Gliederketten 6 und den Kokillentragkörpern 5 gebildeten Gießbandes 5, 6 in Transportbehälter 9 eingefüllt. Dies geschieht dergestalt, daß die Kokillentragkörper 5 am Ende des Gießbandes 5, 6 eine gleichsam schlagartige Richtungsumkehr erfahren und hierbei auf Anschläge auftreffen, so daß sich die Legierungskörper 8 aus den Mulden bzw. Kokillenformen 4 selbsttätig lösen und infolge der Schwerkraft in den Transportbehälter 9 fallen. Dies ist in Fig. 1 gestrichelt angedeutet.

Der jeweilige Transportbehälter 9 ist Bestandteil einer Beschickeinrichtung 10, mit deren Hilfe dafür gesorgt wird, daß kontinuierlich Transportbehälter 9 befüllt und Nachfolgebehälter 9 bereitgestellt werden. Diese Beschickeinrichtung 10 ist nach dem Ausführungsbeispiel als Drehscheibe 10 mit Antrieb 11 ausgeführt und endseitig des Gießbandes 5, 6 angeordnet. Selbstverständlich können zu dieser Beschickeinrichtung 10 auch Transportbänder, Greifer oder dergleichen für die Transportbehälter 9 gehören.

Um das Erstarren der Legierungskörper 8 zu beschleunigen und/oder die gesamte Anlage, insbesondere das Gießband 5, 6 zu kühlen, ist zusätzlich eine Kühlvorrichtung 12 oberhalb des Gießbandes 5, 6 realisiert. Mit Hilfe dieser Kühlvorrichtung 12, die vorliegend als Kühlventilator 12 ausgeführt ist, läßt sich folglich die Erstarrungsgeschwindigkeit der Legierungskörper 8 beeinflussen. Auch wird hierdurch die Kühlung der gesamten Anlage gewährleistet.

Um einen vollautomatischen Betrieb zur Herstellung der Legierungskörper 8 zu gewährleisten, ist zusätzlich zunächst einmal eine Meßeinrichtung 13 oberhalb der Gießmulde 2 vorgesehen, um den dortigen Füllstand an Flüssigmetall zu erfassen. Diese Meßeinrichtung 13 arbeitet berührungslos und ist nach dem Ausführungsbeispiel als Lasermeßeinrichtung 13 ausgeführt. Der Füllstand in den Kokillenformen bzw. Mulden 4 wird mit Hilfe einer weiteren Meßeinrichtung 14, vorliegend einer Füllstandsmeßeinrichtung 14 erfaßt. Diese Füllstandsmeßeinrichtung 14 ist oberhalb des Gießbandes 5, 6 angeordnet und dient zur Ermittlung des Füllstandes der Kokillenformen 4 mit Flüssigmetall. Schließlich ist noch eine Wägevorrichtung und/oder Abtasteinrichtung 15 im Bereich der Beschickeinrichtung 10 verwirklicht, um den Füllgrad des oder der Transportbehälter 9 zu ermitteln.

Nach dem Ausführungsbeispiel ist im Bereich der Beschickeinrichtung 10 eine Abtasteinrichtung 15, vorliegend eine berührungslose Lasermeßeinrichtung 15, verwirklicht. Sämtliche vorerwähnten Meßeinrichtungen 13, 14, 15 sind ebenso wie die Beschickeinrichtung 10 bzw. deren Antrieb 11, das Gießband 5, 6 bzw. dessen Antrieb 16 und die Kühlvorrichtung 12 an eine Steuer-/Regelvorrichtung 17 angeschlossen. Diese Steuer-/Regelvorrichtung 17 steuert die gesamte Verfahrensabfolge.

Im einzelnen wird zunächst einmal die Zufuhrgeschwindigkeit an Flüssigmetall über die Zufuhrleitung 1 variiert, was durch entsprechende Schieber oder dergleichen Absperrorgane in der Zufuhrleitung 1 erfolgen kann. Je nach Zufuhrgeschwindigkeit an Flüssigmetall stellt sich der mittels der Meßeinrichtung 13 abgetastete Flüssigkeitsstand in der Gießmulde 2 ein. Von diesem Flüssigkeitsstand in der Gießmulde 2 und der Größe sowie Anzahl der Ausflußöffnungen bzw. Gießdüsen 3 hängen Ausflußgeschwindigkeit und Ausflußrate des Flüssigmetalls aus der Gießmulde 2 ab.

In Abhängigkeit von diesen Parametern wird die Bandgeschwindigkeit des Gießbandes 5, 6 mit Hilfe des dortigen Antriebes 16 eingestellt, um Legierungskörper 8 gewünschter Größe bzw. vorgegebenen Gewichtes in den Mulden bzw. Kokillenformen 4 darstellen zu können. Eine entsprechende Kontrolle erfolgt über die Füllstandsmeßeinrichtung 14, deren Meßwerte (zusammen mit den Füllstandswerten in der Gießmulde 2) gleichsam als Führungsgröße für die Regelung der Ausflußgeschwindigkeit bzw. Ausflußrate dienen. Dies gilt auch für die Geschwindigkeit des Gießbandes 5, 6 (die jedoch regelmäßig konstant voreingestellt wird).

Mit Hilfe der Kühlvorrichtung 12 kann anschließend die Erstarrungsgeschwindigkeit der Legierungskörper 8 und die Kühlung der gesamten Anlage vorgenommen werden. Um die Erstarrungsgeschwindigkeit der Legierungskörper 8 gezielt einstellen zu können, läßt sich deren Temperatur im Verlaufe des Gießbandes 5, 6 (ebenfalls berührungslos) ermitteln, was jedoch im einzelnen nicht dargestellt ist. Jedenfalls sind die entsprechenden und nur angedeuteten Temperatursensoren 18 ebenfalls an die Steuer-/Regelvorrichtung 17 angeschlossen.

Schließlich wird je nach Füllgrad des Transportbehälters 9 die Beschickeinrichtung 10 mit Hilfe der Steuer-/Regelvorrichtung 17 angesteuert, so daß ein voller Transportbehälter 9 punktgenau durch einen entsprechenden Nachfolgebehälter 9 ersetzt wird. Anstelle der dortigen Abtasteinrichtung 15 kann natürlich auch eine Wägevorrichtung vorgesehen werden, die einen zu befüllenden Transportbehälter 9 zunächst leer wiegt (Tara) und dann anhand des Bruttogewichtes das Nettogewicht der Legierungsköper 8 aus der Differenz Bruttogewicht minus Tara ermittelt. Jedenfalls läßt sich mit Hilfe der Steuer-/Regelvorrichtung 17 auch die Arbeitsgeschwindigkeit der Beschickeinrichtung 10 bzw. des dortigen Antriebs 11 steuern oder in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Gießbandes 5, 6 und der Anzahl der einzufüllenden Legierungskörper 8 regeln.

Im Ergebnis werden vollautomatisch Legierungskörper 8 aus Flüssigmetall, nach dem Ausführungsbeispiel aus einer (Aluminium-)Gußlegierung, hergestellt. Diese Legierungskörper können ein Stückgewicht im Bereich zwischen 100 g und bis zu 1,5 kg aufweisen. Durch die große Oberfläche (bei gleichem Gewicht) im Vergleich zu einem (schweren) Quaderlegierungskörper schmelzen die erfindungsgemäßen Legierungskörper schnell. Die Dauergießleistung liegt bei mindestens 5000 kg pro Stunde. Dabei wird ein ofenschonendes Einschmelzen bei vereinfachter Dosierung und unkomplizierter Handhabung erreicht. Die Investitionskosten sind gering, weil das dargestellte Gießband 5, 6 einfach und preisgünstig aufgebaut ist. Eine Stapelmaschine - wie sie der Stand der Technik für unabdingbar ansieht - kann entfallen. Der Gießvorgang läuft vollautomatisch ab. Die Transportkosten sind insofern verringert, weil die Legierungskörper 8 in einfach handhabbaren und zu transportierenden Transportbehältern 9 fortbewegt werden.

Die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Legierungskörper 8 bieten sich nicht nur in (Aluminium-)Kokillengießereien als Alternative für die üblichen Quaderlegierungskörper bzw. Aluminium-Masselkörper an, sondern können auch als Zusätze für eine Stahlschmelze Berücksichtigung finden. Denn die Form der Legierungskörper 8 läßt sich praktisch frei wählen und reicht von Kugeloder Tropfenformen bis hin zu Pyramiden oder Pyramidenstümpfen (vgl. Fig. 3).