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Verfahren und Gießformanordnung
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zum gesteuerten Abkühlen von Gußteilen Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum Verhindern der Entstehung einer Vertiefung bzw. eines Lunkers an der
freien Oberfläche einer in einer Form abkühlenden Metallmasse sowie eine Gießformanordnung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Wenn in einer Form Blöcke bzw. allgemein'große Gußteile gegossen werden,
kühlt die freie Oberfläche der Schmelze wesentlich schneller ab als die gesamte
Metallmasse, was zur Folge hat, dass die obere Schicht der Metallmasse angrenzend
an das offene Ende der Form schneller schrumpft als die Hauptmasse des Blockes.
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Dies führt zu einem Einsinken bzw. zu einem Lunker der von der freien
Oberfläche des Blocks mehr oder weniger tief in diesen hineinreicht. Ein solcher
Lunker bildet sich dabei zu einem frühen Zeitpunkt der Erstarrungsphase. Wegen der
Oxidation und anderer chemischer Effekte an der Oberfläche des Lunkers kann das
Material im Bereich der Lunkerwandung später nicht erfolgreich gewalzt werden, da
der Lunker in dem gewalzten Material zur Bildung eines nicht verschweißten Risses
führt.
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Das übliche Verfahren zur Überwindung dieses Problems besteht darin,
dass man das obere Ende des Blockes bzw. der Bramme abtrennt und den Brammenkopf
wieder
einschmilzt. Dieser Materialverlust bzw. der Aufwand für
die erneute Aufbereitung beeinträchtigt die Wirtschaftlichkeit erheblich. Beispielsweise
führt das Abtrennen der Brammenköpfe wegen der Lunkerbildung bei der Stahlherstellung
zu einer Verringerung der Produktion um 20 bis 25 %. Dies stellt trotz der Möglichkeit,
das Material wieder einzuschmelzen, einen beträchtlichen Kostenaufwand dar, da man
für eine für das Walzen geeignete Bramme von 100 t zunächst etwa 120 t Stahl vergiessen
muß.
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Zur Vermeidung der beschriebenen Nachteile verbrennen einige Stahlhersteller
Thermit oder ein anderes brennbares Material direkt über dem oberen Ende des Blockes,
um die schnelle Abkühlung zu vermeiden, die zur Lunkerbildung führt. Dieses Verfahren
ist einerseits teuer und andererseits nur bedingt wirksam.
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Ausserdem ergebenstch beträchtliche Umweltprobleme, da beim Abbrennen
des Heizmaterials mit Metallpartikeln durchsetzte Abgase entstehen, die nur schwer
und mit hohen Kosten aufgefangen und gereinigt werden können.
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Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren bzw. eine Gießformanordnung für das Giessen großer Metallteile anzugeben,
bei dem bzw. bei der die Bildung von Lunkern und dergleichen preisgünstig und im
wesentlichen ohne zusätzliche äussere Energiezufuhr wirksam verhinderbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß, was das Verf ahren anbelangt,
durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst,und was die Gießformanordnung anbelangt,
durch
die Gießformanordnung gemäß Anspruch 8.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die Lunkerbildung
an der freien Oberfläche durch die schnellere Abkühlung dieser freien Oberfläche
gegenüber der Masse des Metalls hervorgerufen wird, die ihre Wärme durch Wärmeleitung
in den Formkörper abgibt. Insbesondere basiert die Erfindung auf der Erkenntnis,
dass die Wärmeverluste an der freien Oberfläche des Gussteils hauptsächlich durch
Wärmestrahlung, d. h. durch Infrarotstrahlung,hervorgerufen werden.
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Erfindungsgemäß hat es sich nun gezeigt, dass die Entstehung von Lunkern
zumindest weitgehend vermieden werden kann, wenn man die abgestrahlte Wärme zur
freien Oberfläche des Blockes bzw. des Gußteils zurücklenkt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Gießformanordnung gemäß
der Erfindung ist der nach oben offene Formkörper mit einer Haube abgedeckt. Diese
Haube enthält eine Membran aus einem Material, dessen Schmelzpunkt höher ist als
der Schmelzpunkt des vergossenen Metalls. Die Membran besitzt eine Unterseite, die
die Strahlung aus der Metallschmelze auffängt und sie zur freien Oberfläche der
Metallschmelze in der Form zurücklenkt. Ausserdem sind Einrichtungen vorgesehen,
mit deren Hilfe die von der Oberseite der Membran ausgehende Wärmestrahlung auf
diese selbst zurückgelenkt wird. Die Zurücklenkung der Wärmestrahlen zur Membran
erfolgt dabei gemäß einer ersten Ausführungsform mit Hilfe eines Reflektors, der
ein
Reflexionsvermögen von mindestens 0,5 besitzt. Bei einem abgewandelten
Ausführungsbeispiel sind zur Wärmerückführung auf der Rückseite bzw. Oberseite der
Membran mehrere übereinandergestapelte, parallel zueinander angeordnete Prallbleche
vorgesehen.
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Die vorstehend beschriebene Haubenkonstruktion kann durch eine Isolation
angrenzend an die Innenseite des oberen Endes der Form ergänzt werden, wobei die
Isolation die Wärmeableitung aus dem geschmolzenen Metall in den Formkörper verringert.
Weiterhin können Dichtungseinrichtungen vorgesehen sein, welche eine Abdichtung
der Haube gegenüber dem Formkörper ermöglichen und die Erzeugung eines Unterdrucks
in der Gießformanordnung zu beiden Seiten der Membran ermöglichen.
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Wenn ein relativ schwaches Vakuum innerhalb der Gießformanordnung
erzeugt wird, dann wird hierdurch der Vorteil erreicht, dass die Konvektionswärmeverluste
von der freien Oberfläche des Gußteils im wesentlichen vermieden werden. Weiterhin
wird die Reflektoroberfläche gegen Beschädigungen durch Dämpfe und dergleichen geschützt,
während gleichzeitig die chemischen Vorgänge, die zur Zunderbildung an der Oberfläche
des Gußteils führen, auf ein Minimum reduziert werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können angrenzend an die freie
Oberfläche des Gußteils auch Heizeinrichtungen vorgesehen sein, insbesondere Heizelektroden,
mit deren Hilfe ein Wechselstrom durch die Oberflächenschicht der Metallmasse gleitet
werden kann, oder eine Induktionsheizwicklung. Wenn man mit einem Wechselstrom hoher
Frequenz arbeitet, ergibt sich der Vorteil, dass die beheizte Zone eine relativ
dünne
Schicht wird, was auf den bekannten Skineffekt zurückzuführen ist. In Ausgestaltung
der Erfindung können in der Formhaube ferner Kühleinrichtungen vorgesehen sein,
welche insbesondere dazu dienen, eine Übertemperatur und damit eine Zerstörung des
Reflektors.zu verhindern. Günstig ist es auch, wenn die Haube ein kuppelartiges
Gehäuse besitzt, welches dem Aussendruck widerstehen kann, wenn das Innere der Gießformanordnung
evakuiert wird.
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Zur Schaffung einer Gießformanordnung gemäß der Erfindung kann auf
eine konventionelle obene offene Gießform eine erfindungsgemäße Haube aufgesetzt
werden, welche geeignet ist, das Ausmaß der Lunkerbildung zumindest erheblich zu
reduzieren. Die Haube besitzt dabei ein Gehäuse,mit dem sie sich an der Gießform
abstützen kann, und eine Membran, welche die von der freien Oberfläche des flüssigen
Metalls ausgehende Wärmestrahlung auffängt und auf die Oberfläche zurücklenkt. Ein
Reflektor oder ein Prallblechstapel sorgt dabei dafür, dass die von der Rückseite
der Membran abgestrahlte Wärmeenergie auf die Membran zurückgelenkt wird. Allgemein
gesagt, besteht also die Erfindung in einem Verfahren, bei dem verhindert wird,
dass das Metall an der freien.berfläche eines Gußteils übermäßige Wärmeverluste
durch eine Wärmeableitung erfährt und bei dem die von der freien Oberfläche abgestrahlte
Wärme in das Metall zurückgelenkt wird.
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Der entscheidende Vorteil von Verfahren und Vorrichtung gemäß der
Erfindung besteht darin, dass bei grossen Metallteilen,insbesondere bei Metallblöcken,
die
Bildung eines Lunkers verhindert wird, wodurch die Menge des bei einem einzigen
Gießschritt erhaltenen brauchbaren Metalls erhöht wird, wobei Oxidationserscheinungen
und andere chemische Effekte, wie sie bei Kontakt zwischen dem schmelzflüssigen
Metall und der Atmosphäre auftreten, sehr weitgehend verhindert werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Querschnitt durch eine übliche,nach oben offene
Form zum Giessen von Blöcken, die mit einer Metallschmelze gefüllt ist; Fig. 2 einen
Querschnitt durch die Form gemäß Fig. 1 nach dem Erstarren der Metallschmelze; Fig.
3 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Gießformanordnung
gemäß der Erfindung; Fig. 4 einen Querschnitt durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform
einer Gießformanordnung gemäß der Erfindung; Fig. 5 einen Querschnitt durch eine
weitere abgewandelte Ausführungsform einer Gießformanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 6 einen senkrechten bzw. einen horizontalen und Fig. 7 Querschnitt durch eine
Gießform einer weiteren
abgewandelten GieBformanordnung gemäß
der Erfindung, und Fig. 8 einen Querschnitt durch die Gießform einer weiteren abgewandelten
Gießformanordnung gemäß der Erfindung; Im einzelnen wird aus den Fig. 1 und 2 der
Zeichnung deutlich, dass beim üblichen Giessen von Blöcken und dergleichen in einer
nach oben offenen Gießform, die zunächst horizontale freie Oberfläche der Schmelze
beim Erstarren einsinkt, so dass sich die in Fig. 2 schematisch dargestellt Vertiefung
ergibt, die häufig als unregelmäßig ausgebildeter Lunker relativ weit in das Material
des Blockes hineinreicht.
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Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels Die für das Einfallen
bzw. Einsinken der Oberseite von gegossenen Blöcken verantwortliche Ursache ist
in einem schnellen Abkühlen des Blocks ausgehend von seiner freiliegenden Oberseite
zu sehen. Wenn man dieses Einsinken kontrollieren möchte, ist es folglich erforderlich,
die Geschwindigkeit der Abkühlung zu kontrollieren. Im Verlauf der Erstarrung und
Abkühlung liegt die Oberflächentemperatur von geschmolzenem Stahl bei etwa 2200
bis 24000 F, d. h. bei etwa 120Q bis 1320 ° C. Da die Intensität der Wärmeabstrahlung
von einer Oberfläche proportional zur vierten Potenz der Temperatur an dieser Oberfläche
ist, während die Wärmeabfuhr durch Konvektion zur fünften Potenz der Oberflächentemperatur
proportional
ist, wird bei Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes
von Stahl praktisch die gesamte Wärme, die von der freiliegenden Oberseite des Blockes
abgeführt wird, durch Wärmestrahlung abgeführt. Wenn eine Oberfläche mit einer absoluten
Temperatur T,die eine Strahlungskraft E besitzt, in eine Umgebung mit einer Temperatur
T0 und mit einer Strahlungskraft Eo Wärme abstrahlt, ist folglich der resultierende
Strahlungsfluß (qr) von jeder Flächeneinheit der Oberfläche in die Umgebung durch
folgende Gleichung bestimmt:
wobei G = 0,1713 x 10-8 BTU/ft2 h F) 4. Andererseits ist die Geschwindigkeit der
Wärmeübertragung durch Konvektion (qc) von einer solchen Oberfläche durch folgende
Gleichung bestimmt: qc = h (T-To), wobei h der sog. Filmkoeffizient ist, für den
sich bei heissen, nach oben gewandten, horizontalen Oberflächen ein Wert von etwa
1,5 BTU/ft2 h °F ergibt.
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Mit den Werten E = 0,95, Eo = 1, T = 1316°C u.To = 250 C ergibt sich
aus den obigen Gleichungen für der Wert 255,000 kcal/m2, während sich für 2 ein
Wert von nur 9450 kcal/m ergibt. In erster Annäherung kann man also alle Wärmeverluste
ausser den Strahlungsverlusten von der Oberseite eines Blockes vernachlässigen und
annehmen, dass diese Oberfläche pro Stunde - etwa 300,000 kcal/m2 in die Atmosphäre
abstrahlt.
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Wenn die Oberfläche des Blockes auf etwa 1.200°C abkühlt, nimmt dieser
Wärmeabfluß auf etwa 233.300 kcal/m2 ab.
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Allgemein gesagt, zielt die Erfindung darauf ab, den resultierenden
Strahlungswärmeverlust von der Blockoberfläche zu reduzieren, um auf diese Weise
die Abkühlgeschwindigkeit an der Blockoberfläche auf einen Wert abzusenken, der
der Abkühlgeschwindigkeit in anderen Bereichen des Gußteils besser entspricht, wobei
so vorgegangen wird, dass die ausgesandte Strahlungsenergie zu ihrer Quelle zurückgelenkt
wird. Diese Maßnahme ist geeignet, die Tendenz zur Lunkerbildung in einem abkühlenden
Block beträchtlich zu reduzieren. Die Rückführung der Strahlungswärme kann dabei
mit weiteren Maßnahmen kombiniert werden, die geeignet sind, die resultierende Geschwindigkeit
der Oberflächenabkühlung zu verringern und so einen massiven Block mit im wesentlichen
flacher Oberseite zu erhalten. So kann beispielsweise der Formkörper angrenzend
an seine offene Oberseite mit einer Isolation versehen sein, um den durch Wärmeleitung
verursachten Wärmeabfluss in das-Material der Form zu verringern. Ausserdem kann
das Innere der Form evakuiert werden, um die auf der Konvektion basierenden Wärmeverluste
zu verringern. Weiterhin ist es möglich, den Oberflächenschichten eines erstarrenden
Blockes direkt Wärme zuzuführen, und zwar mittels Lampen, die eine Wärmestrahlung
erzeugen, mittels Induktionswicklungen oder mittels Elektroden, die einen Strom
durch die Oberflächenschicht leiten. Weiterhin besteht die Möglichkeit, verschiedene
derartige Maßnahmen zu kombinieren,um die Abkühlgeschwindigkeit an der freiliegenden
Blockoberfläche
zu verringern. Dabei wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass hier unter
der Bezeichnung "Block" ganz allgemein ein grosses metallisches Gußteil zu verstehen
ist.
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Bei einem Verfahren zum Rückführen der abgestrahlten Wärme zur Oberseite
des Blockes können Wärmerekuperatoren verwendet werden, wie sie in den US-PSen 4
082 414 und 4 160 577 beschrieben sind, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen
wird. Die in diesen Patenten beschriebenen Reflektoranordnungen sind geeignet, die
von einer Quelle ausgesandte Strahlung bis zu 90 % zu reflektieren und können in
einer gewissen Entfernung von der Oberseite des Blockes angebracht werden. Derartige
Reflektoren zur Wärmerückgewinnung können beispielsweise an der Decke eines Raums
angebracht werden, in dem der Gießvorgang erfolgt.
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Das bevorzugte Verfahren zur Rückführung der Strahlungswärme besteht
jedoch darin, eine Haube vorzusehen, welche über das obere Ende der Form passt und
als ein Hauptelement eine Membran aufweist, welche aus einem Material hergestellt
ist, dessen Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunkts des jeweils vergossenen Materials
liegt, wobei die Membran parallel zur Oberseite des Gußteils angeordnet wird, so
dass sie einen Teil der Wärmestrahlung auffängt, die vom Gußteil ausgesandt wird;
dabei ist ein weiteres Hauptelement der Haube für den Zweck vorgesehen, die von
der Rückseite der Membran abgestrahlte Wärme auf die Membran zurückzulenken. Bei
einer Ausführungsform einer solchen Haube wird die Strahlung von einem
Reflektor
zurückgeworfen, der einstückig mit der Haube ausgebildet ist. Bei einem anderen
Ausführungsbeispiel wird die Strahlungswärme durch einen Stapel von parallel zueinander
angeordneten Prallblechen zurückgeworfen. Derartige Haubenanordnungen können bei
üblichen Gießformen eingesetzt werden, werden jedoch vorzugsweise in Verbindung
mit Spezialformen eingesetzt, die eine Isolation aufweisen, um die Wärmeverluste
durch Wärmeableitung in den Bereichen angrenzend an die Oberseite des Gußteils zu
verlangsamen und/oder die Einrichtungen aufweisen, um den Oberflächenschichten des
Gußteils Warme zuzuführen.
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Fig. 3 zeigt eine Gießform mit einem Formkörper 10, in dem sich eine
Metallmasse 12 befindet, die teilweise bereits erstarrt ist ufldin dem Formkörper
10 ist eine Isolationsschicht 14 eingelegt, die die Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung
aus der flüssigen Schicht 16 der Metallmasse 12 in den Formkörper 10 verhindert.
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Die Isolationsschicht 14 ist ringförmig an der Innenseite des Formkörpers
angeordnet. Eine Formhaube 18 sitzt auf der oberen Stirnfläche 20 des Formkörpers
10. Ein O-Ring 22 oder eine andere geeignete Dichtung dichtet die Haube 18 gegenüber
dem Formkörper 10 ab, so dass in der so gebildeten Kammer ein schwacher Unterdruck
von etwa 10-2 bar erzeugt werden kann, und zwar mittels einer Unterdruckpumpe 24,
die mit der Kammer über entsprechende öffnungen und Leitungen 26 verbunden ist.
Die Haube selbst weist ein kuppelartiges Gehäuse 28, eine dünne, leichte Membran
30 und einen Infrarotreflektor 32 auf, der der Rückseite der Membran 30 zugewandt
ist. Der Reflektor ist dabei vorzugsweise durch einen Reflektionsbeiwert von mindestens
0,5 gekennzeichnet. Weiterhin ist ein Kühlkreislauf 34 vorgesehen, in dem ein
Kühlmittel
zirkuliert, um die Temperatur des Reflektors unterhalb einer Temperatur zu halten,
bei der sich das Reflexionsvermögen des Reflektor verschlechtert, beispielsweise
bei einer Temperatur von etwa 5400 C.
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Das Material,aus dem die Formhaube 18 hergestellt ist, sollte für
hohe Betriebstemperaturen geeignet sein.
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Insbesondere sollten die Membran 30 und ihre zugehörige Stützstruktur
36 für Betriebstemperaturen geeignet sein, die oberhalb der Temperatur des Metalls
in der flüssigen Schicht 16 liegen. Der Unterdruck wird über übliche Leitungen erzeugt,
um auf beiden Seiten der Membran 30 einen Unterdruck zu erhalten und vorzugsweise
auch in dem von dem Gehäuse 28 umschlossenen Raum 35. Diese Ausgestaltung stellt
sicher, dass der Reflektor 32 mit seinem zugehörigen Kühlkreislauf 34 sowie insbesondere
die dünne Membran 30 nicht mit möglicherweise schädlichen Druckdifferenzen belastet
werden. Die Kuppelform des Gehäuses 28, beispielsweise die Halbkugelform desselben
stellt dabei sicher, dass auch das Gehäuse den höheren-Aussendruck ohne weiteres
aufnehmen kann. Bei dieser Ausgestaltung kann man dann beispielsweise für das Gehäuse
28 ein sprödes Keramikmaterial verwenden, wenn im Inneren des Gehäuses bzw.
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des oberen Endes der Form ein Unterdruck erzeugt, dann wird der Druck,
der jetzt von der umgebenden Atmosphäre ausgeübt wird, allein von dem Gehäuse 28
aufgenommen, während die im Gehäuse befindlichen Teile nicht belastet werden. In
der Haube 18 oder angrenzend an das obere Ende des Formkörpers 10 kann dabei in
Ausgestaltung der Erfindung ein weiterer Kühlkreislauf eingebracht werden, damit
die üblichen Dichtungsmaterialien, wie z. B. die O-Ringe 22, aus
Metall
oder Polymermaterial ohne Gefahr einer Beschädigung verwendet werden können. Für
die Herstellung der Formhaube und insbesondere für die Membran 30 können speziell
folgende Stoffe verwendet werden: Material maximale Betriebstemperatur Nickel mit
dispergiertem Thorium 1. 2600C Wolfram 1.65O0C Lithim-Aluminiumoxid-Siliciumoxid-Glas
. 1.200°C Aluminiumoxid 1.8160C Siliciumkarbid 1.6500C Siliciumoxid 1,5400C Wolframkarbid
2.7600C Platin 1.6500C Das Lithium-Aluminium-Siliciumoxid (LAS)-Glas ist im Handel
unter dem Warenzeichen "CERVIT" erhältlich. Es können verschiedene Kombinationen
der genannten Materialien sowie weitere Materialien verwendet werden, wenn es erwünscht
ist. Wenn die Membran 30 aus einem Material besteht, welches bei Beaufschlagung
mit der Temperatur des geschmolzenen Metalls beschädigt werden könnte, kann eine
Hilfskühlung vorgesehen werden, um die Membrantemperatur auf einem zulässigen Niveau
zu halten. In allen Fällen sollte die Membran jedoch eine Schmelztemperatur haben,
die über derjenigen des zu giessenden Metalls liegt.
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Der Reflektor 32 ist vorzugsweise mit einer Spiegelschicht versehen,
welche durch Aufdampfen im Vakuum oder auf andere übliche Weise hergestellt werden
kann
und die aus Gold, Kupfer oder Aluminium bestehen kann.
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Vor der Reflexionsschicht kann dabei ein schützender Oxidfilm erzeugt
werden. Hierfür können Materialien wie TiO2, ZrO2, MgO oder A1203 verwendet werden
sowie verschiedene spezielle Glas-Keramiksorten. Die Dicke der Schutzschicht sollte
etwa 1000 AE betragen, um unerwünschte Störeffekte zu vermeiden und im Infrarotbereich
hohe Transmissionspegel zu erzielen.
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In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Formhaube 18 zur Verwendung in Verbindung
mit einer -üblichen Gießform 40 vorgesehen. Die Formhaube 18 kann aber auch in Verbindung
mit den Formen gemäß Fig. 3 und 5 bis 8 verwendet werden. Die Haube 18 besitzt ein
kuppelförmiges Gehäuse 28 mit mehreren angeformten Rippen 42, die zur Vergrößerung
der Aussenfläche der Kuppel dienen. Dabei ist die Innenseite des Gehäuses 28 mit
einem Reflektor 32 in Form einer im Infrarotbereich reflektierenden Beschichtung
versehen. Eine Membran ist unmittelbar gegenüber der freien Oberfläche 17 der teilweise
erstarrten Metallmasse 12 angeordnet. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.
3 kann dabei über die Leitungen 26 auf beiden Seiten der Membran 30 wieder ein Unterdruck
erzeugt werden.
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Das Arbeiten mit den beiden Gießformanordnungen gemäß Fig. 3 und 4
ist ähnlich. Wenn in der Anordnung erst einmal ein Unterdruck erzeugt ist, dann
kann die Wärme aus dem geschmolzenen Metall vom oberen Ende der Form nur noch durch
Ableitung durch den Formkörper 10 und durch die Haube erfolgen sowie durch Strahlung
aus
der Schmelze zu der Membran. Konvektionswärmeverluste werden dagegen wegen des niedrigen
Drucks in der Form weitgehend vermieden. Bei dem Ausführuilgsbeispiel gemäß Fig.
3 wird die Wärmeableitung durch den Formkörper 10 durch die Isolationsschicht 14
und durch die konstruktive Ausgestaltung der Haube klein gehalten. Die Verwendung
von Materialien mit relativ niedriger Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise die Verwendung
"CERVIT" ist diesbezüglich vorteilhaft.
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Selbst wenn die Isolationsschicht 14 fehlt - vgl. Fig.
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4 - ist der Beitrag der Wärmeableitung auf die Abkühlung des geschmolzenen
Metalls verglichen mit dem Effekt der Wärmestrahlung gering. Dieser geringe Anteil
kann aber durch die Verwendung einer Isolationsschicht 14, wie sie in Fig. 3 vorgesehen
ist, noch weiter verringert werden. Bei beiden Ausführungsbeispielen wirkt somit
die Membran 30 praktisch wie eine umgebende Atmosphäre, in die das Metall Wärmeabstrahlt.
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Die Wärmestrahlung,die von der Blockoberfläche 17 ausgeht, trifft
dabei auf die Membran 30 auf und wird von dieser absorbiert. Dabei ist die resultierende
Wärmeabstrahlung zwischen der Metalloberfläche und der Membran zunächst stark in
Richtung auf die Membran ausgerichtet. Wenn die Temperatur der Membran jedoch ansteigt,
dann strahlt diese eine zunehmend höhere Wärmemenge gegen die freie Oberfläche 17
zurück. Beispielsweise würde ein frisch gegossener Stahlblock oder ein anderes grosses
Gußteil mit ° einer Temperatur von etwa 1480 C beim Abstrahlen in eine Umgebung
mit einer Temperatur von 25 0c pro kcal/m2 Stunde etwa 464 000 kcal/m2 abgeben.
Wenn das geschmolzene Metall jedoch einer Membran 30 gegenüberliegt, die eine Temperatur
von etwa 137O0C aufweist,
dänn beträgt die vom oberen Ende des
Gußteils abgestrahlt Wärmemenge pro Stunde nur noch etwa 109 000 kcal/m2, was etwa
23 % der Wärmemenge entspricht, die direkt in die Umgebung abgestrahlt würde. Wenn
die Membran auf einer Temperatur von 12600C gehalten würde, dann würde die Wärmeabstrahlung
pro Stunde etwa 195.000 kcal/m2 betragen. Auch in diesem Fall würden núr-etwa 42
8 der Verluste auftreten, die sich beim direkten Abstrahlen von Wärmeenergie in
die Atmosphäre ergeben.
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Die erhitzte Membran 30 strahlt nicht nur auf ihrer Vorderseite Wärme
gegen das Gußteil, sondern sie strahlt buch auf ihrer Rückseite. Bei dem Ausführungsbei-
qe--mäß Fig. 3 und 4 wird die von der Membran 30 nach oben abgestrahlte Wärme an
dem Reflektor 32 reflektiert und auf die Membran 30 zurückgeworfen.
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Um beim ersten Beispiel mit einer Membrantemperatur von etwa 1370°C
;twå eine niedrige resultierende Wärmeab-:u strahlung zu erreichen, sollte der Reflektor
etwa 70 % der ihn von der Membran erreichenden Wärmestrahlung auf diese zurückwerfen.
Beim zweiten Beispiel, d. h.=beX einer Membrantemperatur von etwa 1260° C er der
Reflektor etwa 27 % der empfangenen Wärmestrahlung reflektieren. Reflektierende
MateriålAender oben erwähnten Art sind ohne weiteres geeignet, das erforderliche
Reflexionsvermögen zu verwirklichen. Tatsächlich lassen sich sich in dem hier interessierenden
Wellenlängenbereich mit handelsüblichen Beschichtungen Reflexionswerte von 95 bis
97 % erreichen.
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Bei den meisten reflektierenden Materialien ist es erforderlich, einen
Temperaturanstieg auf sehr hohe Werte zu vermeiden. Beispielsweise können einige
sehr wirksame Beschichtungen nur bis zu Temperatu-° ren von etwa 590 verwendet werden
und werden beschädigt, wenn die Temperatur über diesen Wert ansteigt. Aus diesem
Grund ist bei der Haube gemäß Fig. 3 ein Kühlkreislauf 34 vorgesehen, während bei
der Haube gemäß Fig. 4 auf der Aussenseite Kühlrippen 42 vorgesehen sind. Wenn dann
die Temperatur der Reflexionsschicht bzw. des Reflektors 32 in Fig. 4 ansteigt,
entwickelt sich somit ein Temperaturgradient längs der Haube 28 und der Rippen 42.
Die Wärme kann dann über die Rippen und die HaubenoberflEche abgeführt werden, wobei
die Wärmeabfuhr gegebenenfalls durch einen Ventilator unterstützt werden kann. Wenn
eine Isolation verwendet wird wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, dann stellen
die Kühleinrichtungen für den Reflektor 32 im wesentlichen die einzige Möglichkeit
für das Abfliessen von Wärme aus der Oberflächenschicht des Gußteils dar.
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Wenn von der Aussenseite der Membran überhaupt keine Wärme in die
Umgebung abgeführt werden könnte, dann würde sich an der Membran ein thermisches
Gleichgewicht mit dem geschmolzenen Metall einstellen, so dass die Membran dieselbe
Temperatur wie das Metall annehmen würde. Durch Regelung des resultierenden Wärmeabflusses
von der Membran kann man also deren Temperatur so dicht wie gewünscht bei der Temperatur
des geschmolzenen Metalls halten. Wenn man dies tut, ist es vorteilhaft, eine Membran
zu verwenden, die ohne weiteres eine Temperatur verträgt, welche die Erstarrungstemperatur
des
vergossenen Metalls übersteigt. Die Hauptfunktion der Membran besteht darin, den
Reflektor vor Schäden zu schützen, die eintreten können, wenn dieser direkt der
Metallschmelze am oberen Ende der Gussform ausgesetzt wäre. Beispielsweise können
die heissen Gase in den Konvektionsströmungen, die sich unmittelbar nach Giessen
über der Metallschmelze entwickeln, Metallpartikel, Schlacke und andere Verschmutzungen
mitreissen, die sich am Reflektor niederschlagen könnten. Ausserdem konnten die
heissen Gase den Reflektor auf Temperaturen in der Nähe der Temperatur der Metallschmelze
selbst aufheizen. Die Membran schützt jedoch den Reflektor gegen einen direkten
Kontakt mit Gasen, Partikeln usw., welche sich über der Metalloberfläche befinden,
wenn die Haube aufgesetzt, positioniert und evakuiert wird. Das Unterdrucksystem
schützt den Reflektor gegen Konvektionswärme, die durch Gase in dem Zwischenraum
zwischen der Membran 30 und dem Reflektor 32 transportiert werden könnte. Ausserdem
verhindert der Unterdruck eine Konvektion über der Metallschmelze. Auf diese Weise
können die Wärmeverluste der Metallschmelze zusätzlich beträchtlich reduziert werden,
nachdem die Strahlungsverluste durch die Kombination von Membran und Reflektor bereits
reduziert sind. Ausserdem verringert der Unterdruck die Menge des an der Gussteiloberfläche
gebildeten Zunders.
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Aus den obigen Ausführungen wird deutlich, dass die Membran aus dünnem,
leichtem Material hergestellt wird und eine niedrige Wärmekapazität hat, so dass
keine Verzögerung beim Erhitzen der Gase zwischen der Membran und dem Reflektor
eintritt. In einigen
Fällen kann es jedoch nützlich sein, eine
Membran mit grösserer Masse zu verwenden, so dass deren Wärmekapazität benutzt werden
kann, das Aufheizen der Gase hinter der Membran zu verzögern bzw. zu puffern", damit
ausreichend Zeit für das Installieren der Haube und das Evakuieren derselben verbleibt.
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Ausserdem verdeutlichen die vorstehenden Ausfuhrungen, dass beispielsweise
beim Vergiessen von Stahl mit einer Gießtemperatur von etwa 1650C die Membran, die
bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3 und 4 vorgesehen ist, solange sie die
genannte Temperatur verträgt, als thermisches Abbild der Stahlschmelze dienen kann,
und zwar für den gesamten Abkühlvorgang. Auf diese Weise kann das Abkühlen des Gussteils
so verlangsamt werden, dass kein Einfallen bzw. keine Lunkerbildung an der Gussteiloberfläche
eintritt.
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Betrachtet man nunmehr erneut Fig. 4 und nimmt man an, dass verhindert
werden muß, dass die Temperatur des Reflektors auf Werte oberhalb von etwa 5400
C verhindert werden muß, dann wird deutlich, dass die Temperaturdifferenz zwischen
der Reflektoroberfläche und den zugeordneten Rippen 42 einerseits und der Umgebungsluft
(250 C) etwa 4800 C beträgt. Wenn der Reflektor wie beim Ausführungsbeispiel direkt
an der Innenseite der Haube 29 ausgebildet wäre und wenn quer zur Materialstärke
der Haube ein Temperaturgradient von etwa 380 C zulässig wäre und wenn ferner die
Aussenfläche der Haube doppelt so groß wäre wie die flüssige Metalloberfläche am
oberen Ende des Gußteils, dann müßte über die Aussenfläche der Haube pro Stunde
eine Wärmemenge von etwa 11 600 kcal/m2
abgestrahlt werden, während
die Haubentemperatur etwa 4300 C über der Lufttemperatur liegen würde. Diese Abkühlung
könnte mit einem Konvektionskoeffizienten (h) zwischen etwa 5 und 6 erreicht werden.
Ein Konvektionskoeffizient dieser Größe kann in Luft ohne weiteres erreicht werden,
wenn man eine schwache Zwangskonvektion herbeiführt, beispielsweise mittels eines
einfachen Ventilators. Tatsächlich bestünde die Möglichkeit, den erforderlichen
Wärmeabfluß auch ohne die Verwendung von Rippen 42 zu erreichen.
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Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem
der Formkörper 10,ähnlich wie in Fig. 3, mit einer Isolationsschicht 14 versehen
ist. Weiterhin ist eine Haube 18 vorgesehen, die ein kuppelartiges Gehäuse 28 aufweist,
welches mit einer Leitung 26 versehen ist, über die zwischen der Form und der Membran
30 die der freien Oberfläche 17 der erstarrenden Metallmasse 12 gegenüberliegt,
ein Unterdruck erzeugbar ist.
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Anstelle des Reflektors 32 bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig.
3 und 4 ist beim betrachteten Ausführungsbeispiel ein Stapel 46 von Prallblechen
vorgesehen. Das oberste Prallblech 48 des Stapels 46 ist dabei mit einem Kühlkreislauf
34 versehen, in dem in Wärmekontakt mit dem Prallblech 48 ein Kühlmittel zirkulieren
kann.
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Wenn dünne Prallbleche, von denen jedes eine Strahlungskraft E aufweist,
zwischen einer strahlenden Oberfläche.mit einer Strahlungskraft E bei einer Temperatur
T1 und der Umgebung mit der Strahlungskraft E bei einer Temperatur T angeordnet
werden, dann läßt sich die Geschwindigkeit der Strahlungswärme
-übertragung
in die Umgebung von einem Wert - für den Fall, dass keine Prallbleche vorhanden
sind - auf einen Wert q - für den Fall,dass n-Prallbleche vorhanden sind, reduzieren,
und zwar gemäß den folgenden Gleichungen:
(vgl. beispielsweise Handbuch der Wärmeübertragung von Rohensow und Hartnet McGraw
Hill, 1973, Seiten 3 bis 100).
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Es gilt also folgende Gleichung:
Ein etwas anderes Ergebnis erhält man, wenn die Strahlungskraft für die strahlende
Quelle, die Prallbleche oder die Umgebung, verschieden sind; der Einfluß dieser
Unterschiede ist jedoch geringfügig, es sei denn, dass sehr ausgeprägte Unterschiede
in der Strahlungskraft vorhanden sind.
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Wenn die Strahlungsverluste durch die Verwendung von Prallblechen
um 90 % reduziert werden sollen, dann
muß sich für 1/(n + 1) der
Wert 0,10 ergeben und n muß zu 9 werden, was bedeutet, dass 9 Prallbleche verwendet
werden müssen. Zur Verringerung der Strahlungsverluste um 95 % muß die Forderung
0,05 = 1/<n + 1) erfüllt sein, was bedeutet, dass 19 Prallbleche benötigt werden.
Bei einer angestrebten Reduzierung von 97 % werden 33 Prallbleche benötigt. Wenn
also die angestrebte Verringerung der Strahlungsverluste ansteigt, steigt die Zahl
der erforderlichen Prallbleche sehr stark an. Andererseits kann in den Fällen, in
denen eine'mäßige Verringerung der Strahlungsverluste von der Rückseite der Membran
30 angestrebt wird, beispielsweise eine Verringerung von etwa 90 % oder weniger
der Einsatz von Prallblechen praktischer und billiger sein als die Verwendung eines
Reflektors.
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Wenn jedoch eine Verringerung von 97 % angestrebt wird, dann kann
der Versuch, Prallbleche einzusetzen, zu einer übermäßig komplizierten und/oder
empfindlichen Konstruktion führen, so dass der Einsatz eines einzigen Reflektors
hoher Qualität vorzuziehen ist.
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Ein Hauptvorteil der Verwendung von Prallblechen gegenüber der Verwendung
eines Reflektors besteht darin, dass bei Prallblechen eine weit geringere Gefahr
einer Beschädigung durch heisse Gase besteht.
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Folglich ist ein System zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Haube
ein weniger kritischer Bestandteil'des betrachteten Ausführungsbeispiels im Vergleich
zu den Ausführungsbeispielen mit Reflektor. Es wird jedoch immer noch eine Hilfskühlung
benötigt, um Wärme aus der Haube abzuleiten. Derartige Kühleinrichtungen können
am obersten Prallblech wirksam werden wie in Fig. 5; es kann jedoch auch die Haube
selbst
gekühlt werden, wie in Fig. 4 (wobei die Reflexionsfläche weggelassen wird) oder
es kann eine Kühlung an anderer geeigneter Stelle vorgenommen werden.
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Obwohl es prinzipiell nicht erforderlich ist, die Oberflächen der
Prallbleche gegen Verschmutzungen zu schützen, die einen Reflektor schädigen können,
ist es dennoch zweckmäßig ein Unterdrucksystem vorzusehen, da hierdurch die Konvektionswärmeverluste
aus der Metallschmelze in die Form vermieden und die chemischen Effekte an der Gußteiloberfläche
auf ein Minimum reduziert werden. Bei einer flüssigen Metallmasse, die beispielsweise
eine Temperatur von etwa 14800C besitzt, beträgt die Wärmeabgabe in die Atmosphäre
aufgrund der Konvektionsvorluste trotz der Behinderung der Konvektion durch den
Aufbau der 2 Formhaube pro Stunde noch immer etwa 8140 kcal/m2.
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Wenn nun Prallbleche eingesetzt würden, um den Strahlungswärmeverlust
von dem Metall in die Umgebung gegenüber der freien Abstrahlung auf 5 t zu verringern,
dann würde der Wärmeverlust von etwa 464.000 kcal/m2 auf etwa 23.200 kcal/m2 pro
Stunde abgesenkt.
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Der zusätzliche Konvektionswärmeverlust von etwa 8140 kcal/m2 pro
Stunde hätte nun zwei Auswirkungen: er würde einerseits den gesamten Wärmeverlust
um etwa 35 % erhöhen (der Wärmeverlust würde von 5 auf 7 % ansteigen) und er würde
andererseits dazu beitragen, dass die Temperaturverteilung in dem Prallblechstapel
beträchtlich von der sich bei fehlender Konvektion einstellenden Temperaturverteilung
unterscheiden würde. Hierdurch könnte unter gewissen Umständen der Verlust an Strahlungswärme
durch den Prallblechstapel hindurch ansteigen, wodurch das angestrebte Endergebnis
zunichte gemacht werden könnte.
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Als Minimalmaßnahme zur Unterdrückung der Auswirkungen der Konvektion
ist es empfehlenswert, sicher zu stellen, dass die Membran 30 hinreichend dicht
mit dem Prallblechträger 47 verbunden ist, um zu verhindern, dass das Gas aus dem
Raum unmittelbar oberhalb der Metallschmelze nach oben durch die Prallblechanordnung
fließt. Ausserdem ist es möglich, den Abstand zwischen den einzelnen Prallblechen
so zu wählen, dass sich nur eine kontrollierte Konvektion in den Zwischenräumen
ergeben kann. Indem man die Zwischenräume hinreichend klein macht, ist es möglich,
eine Konvektion vollständig zu unterdrücken und die Wärmeübertragung auf eine Wärme
leitung durch das Gas zwischen den Prallblechen zu beschränken. Wenn man dieses
-Ziel erreichen möchte, müssen einerseits die Prallbleche an ihren Kanten sorgfältig
abgedichtet werden und andererseits thermische Verformungen der Prallbleche berücksichtigt
werden. Wenn sich nämlich die Prallbleche aufgrund einer thermischen Verformung
an ins Gewicht fallenden Bereichen berühren, dann könnte die direkte Wärme leitung
zwischen den Platten den angestrebten Effekt zunichte machen. Das Abdichten der
Kanten der Prallbleche und die Berücksichtigung der thermischen Verformung derselben,
kann unter Anwendung üblicher Prinzipien erfolgen.
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Die Prallbleche können aus ähnlichen Materialien hergestellt werden,
wie sie oben für die Herstellung der Membran 30 angegeben wurden. Ein möglicherweise
attraktives Herstellungsverfahren besteht darin, die gesamte Prallblechanordnung
aus einer dünnen Folie aus Reinaluminium herz-usteRen, welches durch anodische
Oxidation
in Al203 umgewandelt wird, das dann bei Temperaturen bis zu 1.816 OC verwendet werden
kann In Fig. 6 und 7 ist eine abgewandelte Gießform zur -Verwendung in Verbindung
mit Formhauben gemäß Fig. 3, 4 oder5 gezeigt. Bei der gezeigten Gießform ist zusätzlich
zu der Isolationsschicht 14 längs der inneren Seite der Wandung des oberen Teils
des Formkörpers 10 ein Paar von hochtemperaturfesten Elektroden 52 vorgesehen, mit
deren Hilfe ein Heizstrom durch die Oberflächenschichten der gegossenen Metallmasse
12 geleitet werden kann. Die Elektroden 52 sind dabei auf gegenüberliegenden Seiten
des Formkörpers 10 angeordnet und voneinander durch quer dazu angeordnete Isolationsplatten
54 getrennt. Jede Elektrode 52 ist elektrisch durch nichtleitende Befestigungseinrichtungen
56 isoliert und über eine Zuleitung 58 bzw.
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60, die an einem Kontaktstück 62 angeschlossen ist, mit einer Speisespannungsquelle
verbindbar. Wie weiter unten noch näher ausgeführt werden wird, wird den Elektroden
vorzugsweise ein Hochfrequenzwechselstrom aus einem Hochfrequentgenerator 64 zugeführt.
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Der betrachtete Aufbau der erfindungsgemäßen Gießformanordnung ist
dann vorteilhaft, wenn die Metallmasse trotz der Verwendung einer Isolationsschicht
14 und einer Haube 18 der vorstehend beschriebenen Art zu schnell abkühlen würde.
Da bei dem erfindungsgemäßen Konzept der Wärmeverlust von der freien Oberfläche
17 der flüssigen Metallmasse 12 im wesentlichen vollständig auf eine Wärmeabstrahlung
von der Metalloberfläche zurückzuführen ist, kann man diesem Bereich Wärme derart
zuführen, dass nur die oberste
Metallschicht erwärmt wird. Auf
diese Weise kann der resultierende Wärmeverlust in dem erforderlichen Ausmaß reduziert
werden, um die angestrebte Abkühl- und Erstarrungsgeschwindigkeit zu erreichen.
Zur Wärmezufuhr im Bereich der freien Oberfläche 17 des Gußteils ist es auch möglich,
elektrische Hochtemperaturheizeinrichtungen oder Infrarotheizeinrichtungen vorzusehen,
die unmittelbar über der Metalloberfläche angeordnet sind und beispielsweise an
der Haube montiert werden können. Vorzugsweise werden- jedoch Elektroden vorgesehen,
wie sie in Fig. 6 und 7 gezeigt sind.
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Das Anlegen eines hochfrequenten elektrischen Feldes an ein Metall
führt dazu, dass ein Strom entsteht, der die Tendenz hat, sehr dicht an der Oberfläche
des Metalls zu fliessen. Die Eindringtiefe (') ) des Stromes ist für Eisenmetalle
für verschiedene Frequenzen (f) in der nachfolgenden Tabelle angegeben: c (mm) 4
(Hertz) 66 60 10 3000 5 10000 0,76 450000 Man sieht, dass man durch Anlegen einer
hochfrequenten Wechselspannung an eine Metallschmelze eine elektrische Aufheizung
bewirken kann, die auf eine sehr dünne Schicht mit einer Dicke von beispielsweise
5 bis 0,76 mm-beschränkt ist. Es ergibt sich also eine beheizte Haut (Skineffekt)
des Metalls, wobei die in dieser Haut erzeugte Energie die Strahlungsverluste kompensieren
kann. Weiterhin hat der Strom die Tendenz, sich bei ungleichmäßiger Temperaturverteilung
an
der Metalloberfläche auf die Bereiche zu konzentrieren, die die niedrigere Temperatur
haben, da diese Bereiche auch einen niedrigeren elektrischen Widerstand haben. Wenn
also das Metall am oberen Ende der Form begonnen, hat,ausgehend vom äusseren Rand
der Form nach innen zu zu erstarren, dann konzentriert sich derelektrische Strom
in den kühleren, erstarrten Randbereichen und hat dort die Tendenz ein erneutes
Schmelzen herbeizuführen. Dieser Effekt wirkt natürlich der Tendenz für die Ausbildung
eines Lunkers entgegen.
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Ein geeignetes Material für die'Isolationsplatten 56 ist beispielsweise
Aluminiumoxid. Für die plattenförmigen Elektroden 52 können Platinbleche verwendet
werden, die auf einem Aluminiumoxidträger oder auf einem anderen Substrat montiert
sind, welches für die erforderliche -mechanische Stabilität sorgt.
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In jedem Fall müssen die Materialien für die Isolationsplatten und
die Elektroden so gewählt werden, dass sie nicht mit der Metallschmelze reagieren.
Die Elektroden können weiterhin aus Osmium hergestellt werden (Schmelzpunkt: 3025
OC, elektrischer Widerstand 9 Ohm/cm) oder aus Molybden (Schmelpunkt: 2621 °C, elektrischer
Widerstand 5,2 Ohm/cm).
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Durch Überwachen der Temperatur am oberen Ende der Form kann man feststellen,
ob die Erstarrung in der gewünschten Weise fortschreitet. Wenn dies nicht der Fall
ist, d. h. wenn eine ins Gewicht fallende Schrumpfung oder die Entwicklung eines
Lunkers festgestellt wird, kann man den Hochfrequenzgenerator 64 einschalten und
einen elektrischen Strom durch das Material leiten, um die Abkühlgeschwindigkeit
zu verringern
und dami-t die unerwünschte Schrumpfung an der Oberfläche
zu vermeiden.
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Die vorstehende Beschreibung macht deutlich, dass der Wärmeverlust
aus einer Metallschmelze mit einer ° Temperatur von etwa 1480 C auf weniger als
etwa 4600 kcal/m2 pro Stunde verringert werden kann. Wenn man über die Elektroden
der Gießform gemäß Fig. 6 und 7 eine Energie von 54 kW/m2 als Hochfrequenzwechselstrom
zuführt, dann kann dieser Verlust vollständig ausgeglichen werden. Es reicht also
eine relativ kleine Hochfrequenzenergiezufuhr aus, um die Abkühlgeschwindigkeit
so zu regeln, dass eine Schrumpfung verhindert wird.
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Fig. 8 zeigt eine andere Gießformanordnung mit Heizeinrichtungen für
die Oberfläche der Metallmasse 12.
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Die Heizeinrichtungen umfassen dabei eine Induktionswicklung 66, die
als dünnes Metallrohr ausgebildet sein kann, in dem ein Kühlmittel zirkuliert. Die
Induktionswicklung 66 ist dabei innerhalb einer hochtemperaturfesten elektrischen
Isolation 68 angeordnet, die mit einer Keramikschicht 70 ummantelt ist.
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Die oberen Bereiche der Metallmasse 12 können somit durch Induktionsheizung
beheizt werden, um im wesentlichen dieselben Wirkungen zu erreichen, die im Zusammenhang
mit der Hochfrequenzbeheizung diskutiert wurden.
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