Verfahren und Vorrichtung zum Giessen von Elektrodengittern für elektrische Akkumulatoren

Abstract

 Nach einem neuen Verfahren zum Gießen von Elektroangittern für elektrische Akkumulatoren in einer Gießform ird durch einen dem Schmelzgut während des Formfüllvoranges zusätzlich mitgeteilten Wärmeimpuls sowie durch arwendung eines gut wärmeleitenden Formmaterials emäß Temperaturverlaufskurve C einerseits ein vorzeitiges starren der Schmelze (Erstarrungstemperatur = T₂) noch or dem Ende der Formfüllzeit (Zeitpunkt t₃) verhindert, dererseits die Abkühlung bis zum Erreichen der Entforungstemperatur T₃ beschleunigt. Aus der kurzen Verweildt t₇ - t, des Bleis in der Form resultiert zugleich eine rkürzte Maschinentaktzeit. Die diskrete Impulsbeheizung es Sc_hmelzgutes geschieht vorzugsweise mit Hilfe einer duktionserwärmungsanlage, bei der das Wechselfeld des die Formwände eingelassenen Induktors durch Wirbelrombildung im schmelzflüssigen Gießling Wärme erzeugt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Elektrodengittern für elektrische Akkumulatoren in einer Gießform sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

[0002] Die Technologie des Gittergießens ist in der Vergangenheit den Erfordernissen eines zügigen Arbeitsablaufes bei der Akkumulatorenherstellung hauptsächlich durch Einführung leistungsfähiger Mehrfachgittergießmaschinen, Automatisierung der Arbeitsvorgänge oder Verfeinerung der Werkzeuge nachgekommen. Die Verfahrensweise an sich ist im wesentlichen unverändert geblieben. Eine ausführliche Beschreibung findet man u. a. bei P.J. Moll, "Die Fabrikation von Blei-Akkumulatoren", 2. Auflage, Akademische Verlagsgesellschaft, Geest & Portig kG, Leipzig 1952, Seite 278 ff. Danach werden Akkumulatorengitter, insbesondere für Blei-Starterbatterien, in aufklappbaren Gittergiesformen hergestellt, in die die flüssige Bleilegierung aus dem Schmelzkessel meist drucklos einläuft. Wegen des relativ geringen Wärmeinhalts der dünnen Startergitter sind in der Regel Formbeheizungen vorgesehen, die einen zu raschen Wärmeabfluß verhindern. Andererseits muß auch für eine Kühlung der GieBformen gesorgt werden, wenn eine beim laufenden Betrieb entstandene Überhitzung mit dadurch bedingten längeren Abkühlzeiten bis zur Erstarrung des Bleis wieder abgebaut werden soll. Zu diesem Zweck sind die Gießformen mit Kanälen für den Durchfluß von Kühlwasser versehen.

[0003] Besondere Sorgfalt ist bei der Oberflächenbehandlung der Gießform am Platze, da der Gießling an den Wänden nicht haften darf und sich gut entformen lassen soll. Die Aufbringung einer thermischen Schutzschicht auf die Form-Oberfläche geschah früher durch Pudern mit Talkum oder anderen Formpudern, wodurch man auch ein gutes "Laufen" des Schmelzgutes erzielte. Das Pudern ist gewöhnlich nach einer Arbeitsschicht (3000 bis 5000 GuB) verbraucht und muß nach Reinigung der Gießform erneuert werden. Neben dem Puder hat sich für die Vorbehandlung der Gießform auch eine Korkmehl-Wasserglas-Aufschlämmung bewährt, die mittels Spritzpistole verstäubt wird (vgl. C. Drotschmann "Blei-Akkumulatoren", Verlag Chemie GmbH, Weinheim/Bergstraße, 1951, Seite 113 ff). Die Haltbarkeit des Korkmehl-Überzuges ist um so besser, je dünner der Auftrag ist. Die Korkmehl-Behandlung ist die heute vorzugsweise angewendete Methode.

[0004] Bei dem im Vorstehenden nur grob skizzierten Stand der Technik konnten jedoch bestimmte Mängel der Verfahrensweise beim Gießen bisher nicht abgestellt werden:

Auf der einen Seite bewirkt die Korkmehlschicht während des Formfüllens einen Wärmestau, welcher verhindert, daß die Schmelze in Anbetracht der geringen Wärmekapazität des Bleies vorzeitig erstarrt, ehe die Form vollständig ausgefüllt ist; das Korkmehl hält ferner für die verdrängte Luft eine Passage entlang den Formwänden offen und erleichtert die Entformbarkeit des GieBlings.

[0005] Andererseits ist aber gerade die Wärmeisolationswirkung des Korkmehlauftrages nachteilig, wenn eine schnelle Erstarrungszeit aus Gründen kürzerer Herstellzeiten gefordert wird. Erstrebenswert erscheint es auch, wenn auf das immer wiederkehrende Reinigen der Formen (Abarbeiten der gesamten Beschichtung) und den anschließenden Neuaufbau der Korkmehlbeschichtung, sowie das sporadisch notwendige Nachspritzen der Beschichtung an mechanisch beschädigten Stellen verzichtet werden kann.

[0006] Man kann dies erreichen durch Verwendung von z.B. keramischem Formmateriel, das trotz einer für die Luftführung ausreichenden Porosität im Verhältnis zur Korkmehlschicht aber eine geringere Wärmeisolationswirkung besitzt. Dies macht es erforderlich, entweder mit der Temperatur der Schmelze oder mit der FormTemperatur nennenswert höher zu gehen, um ein Ausfüllen der Form zu gewährleisten. Eine verlängerte Taktzeit ist die Folge. Will man bei kurzer Taktzeit bleiben oder diese mit dem Ziel höherer Ausbringung sogar noch verkürzen, so ist eine vollständige Formfüllung nicht ohne weiteres zu erreichen.

[0007] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Taktzeit des Gittergießens zu verkürzen, den Wärmewiderstand zu vermindern und den Wärmeabfluß aus dem Schmelzgut im Sinne eines größeren Wärmegradienten zu beschleunigen, wobei das sichere Ausfüllen der Form gewährleistet bleiben muß. Daneben soll die umständliche Formvorbehandlung durch Einsprühen entfallen und auch die Standzeit der Form verlängert werden. Ferner soll durch Verkürzung der Erstarrungszeit eine Verbesserung der GuBqualität durch weitere Verfeinerung der Kristellstruktur bei sogar verbilligter Legierung erzielt werden.

[0008] Die Aufgabe wird erfindungsgemäB dadurch gelöst, daß die während des Einfüllvorganges aus dem Schmelzgut durch Wärmeleitung abfließende Wärme durch einen zusätzlichen Wärmeimpuls zumindest teilweise kompensiert wird.

[0009] Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung sollen im folgenden anhand zweier Schaubilder erläutert werden.

[0010] Figur 1 zeigt schematisch den Abkühlungsverlauf der Gießlinge unter den gewöhnlichen und den erfindungsgemäßen Gießbedin- g_ung_en. Figur 2 zeigt eine Gittergießform, die mit einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ausgestattet ist. In Figur 1 ist der Verlauf der Temperatur T des Schmelzgutes über der Zeit t aufgetragen. Der Einlauf der Bleischmelze in die Gießform beginnt zum Zeitpunkt t₁ und sei bei t₃ beendet, wobei die Einlauftemperatur T₁ ist. Die Abkühlung setzt bereits ein, noch ehe die Gießform vollständig ausgefüllt ist, die Abkühlungsrete ist aber wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der Korkmehlschicht schleppend, so daß erst nach einem längeren Zeitintervall - Zeitpunkt t₄ - der Erstarrungspunkt T₂ der Schmelze und bei t₈ schließlich die Entformungstemperatur T₃ des Gießlings erreicht werden (Kurve A). Es ergibt sich somit eine lange Taktzeit t₈ - t₁, hier aus Vereinfachungsgründen so genannt, obwohl sie genau genommen nur die Verweilzeit des Bleis in der Form bzw. die Zeit, in der die Form geschlossen ist, umfaßt. Die eigentliche Maschinentaktzeit ergibt sich durch Hinzuaddieren der Zeit für das Öffnen der Form, der Offenhaltezeit und der Zeit für das Schließen der Form, die jedoch alle sehr kurz sind. Würde man allein durch intensive Kühlung oder anderweitige günstigere Wärmeableitungsbedingungen dafür sorgen, daß die Bleischmelze bereits bei t₂ erstarrt und die Taktzeit mit der Entformung bei t₆ endet, liefe man Gefahr, daß die GieBform nicht vollständig aufgefüllt ist oder daß, wenn T₁ und T₂ nur wenig voneinander differieren, innerhalb der kurzen Zeitspanne t₃ - t₁ keine restlose Homogenisierung des Schmelzgutes erfolgt, weil beispielsweise durch schwankende Formwandtemperaturen ausgelöste Frühausscheidungen vereinzelte Hohlstränge der Form verstopfen und es dadurch zu Fehlstellen im Gitter kommt (Kurve B).

[0011] Erfindungsgemäß wird nun diese kurze, aber kritische Abkühlungsphase dadurch überspielt, daß man durch einen gezielten Wärmeimpuls auf das Schmelzgut den Abfluß von Verlustwärme innerhalb der Form während des Auffüllens derselben stoppt, wobei es durch Wärmestau zu einer leichten Anhebung der Temperatur kommen kann. Sobald die Form gefüllt ist, wird die Wärmezufuhr gestoppt, und die Kühlwirkung der in die Formhälften eingebauten Kühlrohre wird jetzt voll wirksam, so daß sich eine erfindungsgemäße Abkühlungskurve C parallel zu B einstellt. Sie schneidet die Temperaturgeraden T₂ (Erstarrungstemperatur) und T₃ (Entformungstemperatur) bei t₅ bzw. t₇. Die Taktzeit ist damit auf das Zeitintervall t_E = t₇ - t₁ geschrumpft.

[0012] Durch die erfindungsgemäße Temperaturführung wird also der im Takt der Gittergießmaschine arbeitenden Intervallheizung ein diskreter Heizimpuls gewissermaßen aufmoduliert, wobei die Stärke des Heizimpulses dem Wärmeleitvermögen der Gießform Rechnung tragen muß. So braucht die aus dem Schmelzgut abfließende Verlustwärme bei einer Gießform mit hoher Wärmedämmung u.U. nur teilweise kompensiert zu werden, während sie bei einer gut wärmeleitenden Gießform voll kompensiert oder sogar überkompensiert werden muß. Zugleich macht die erfindungsgemäBe Maßnahme aber auch eine Verkürzung der Taktzeit und damit ein rascheres Arbeiten möglich, was sich auf das Produkt noch insofern günstig auswirkt, als ein Legierungsgitter mit einer sehr feinkörnigen Gefügestruktur resultiert.

[0013] Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß man die Gießtemperatur T₁ mit nur geringem Abstand von der Erstarrungstemperatur T₂ relativ niedrig halten kann, da die Wärmebeaufschlagung während des Füllvorganges das Schmelzgut mit genügender Sicherheit aus dem Gefahrenbereich der Erstarrung oder geringer Viskosität heraushält. Der Schmelzpunkt einer Blei-Antimon-Legierung mit 5 % Sb beispielsweise liegt bei 291° C. Die Gießtemperatur kann dann bei ca. 300° C liegen. Mit der Herabsetzung der Gießtemperatur ist einesteils eine Energieeinsparung möglich, andererseits wird die Anfälligkeit der Schmelze gegen die Bildung eines grauen, auch als "Bleikrätze" bekannten Oxids vermindert, welches gewöhnlich beim Aufschmelzen von kompaktem Blei an der Luft auftritt.

[0014] Die erfindungsgemäße Zuführung eines zusätzlichen Wärmeimpulses ist nicht nur bei herkömmlichen Gittergießvorrichtungen anwendbar, sondern sie kann ebenso der Unterstützung des Gitterbandgießens im Endlosverfahren mittels einer Trommelgießmaschine (Drumcasting) dienen, bei dem es ebenfalls darauf ankommt, sehr kurze Erstarrungszeiten zu erzielen. Hier hat sich beim konventionellen Vorgehen gezeigt, daß die Erzeugung voll ausgeformter Gitterbänder große Schwierigkeiten bereiten kann und insbesondere einen nur engen Spielraum für die verwendbaren Legierungen-einräumt.

[0015] Gemäß Figur 2 besteht eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung aus einer geteilten Gießform, die zur Erwärmung des Schmelzgutes besonders vorteilhaft mit einer Induktionserwärmungsvorrichtung versehen ist. Die Gießform wird dabei zweckmäßig von einem Formträger 1 aus Metall gebildet, der eine Einlage aus den entsprechenden Formteilen 2 besitzt. Diese eigentliche Form kann aus einer Keramik, beispielsweise gemäß der FR-PS 2.D69.572 aus Siliziumnitrid bestehen, durch welche eine bessere Wärmeableitung als durch Korkmehl gewährleistet ist. An der äußeren Fläche der Formhälfte sind die Kupferwindungen eines Induktors 3 angebracht, dessen von ihm ausgehendes magnetisches Wechselfeld das Bleigitter 4 durchsetzt und in ihm durch Wirbelstrombildung im flüssigen Gitter Wärme erzeugt. Der Induktor ist an eine äußere Induktionserwärmungsanlage angeschlossen. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Induktors sind die Kupferleiter, die hier als Flachspule (Pancake coil) ausgebildet sind, mit das Magnetfeld führenden Stoffen wie Dynamoblech oder Hochfrequenzeisen 5 umgeben. Der Induktor kann auch durch mäanderförmige Leiterführung aufgebaut sein. Die Leiter sind als Kupferrohre ausgebildet, damit sie die eigenen Stromwärmeverluste, aber auch die Wärme, die vom Bleigitter ausgeht, abführen können.

[0016] Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vervollständigt durch ein wirksames Kühlsystem. Dieses ist in der Schnittdarstellung des rechten Formträgers 2 durch die Querschnittöffnungen 6 zahlreicher Kühlkanäle angedeutet. Die Wärmeabfuhr durch das metallische Formträgermaterial, z.B. Gußeisen, wird durch das Kühlsystem wirksam unterstützt, wobei es bei einer differenzierten Erwärmung der Bleischmelze u.U. günstig sein kann, anschließend auch feinverteilt zu kühlen, weil die Wärmeleitung und die elektrische Leitung nicht nur im Schmelzgut selbst, sondern auch in den Werkstoffen der Gießform miteinander Hand in Hand gehen.

[0017] Anstelle der induktiven Erwärmung kann auch eine Widerstandsbeheizung das geeignete technische Mittel für die erfindungsgemäße Temperatursteuerung des Gießvorganges entsprechend Abkühlungskurve C der Figur 1 sein.

[0018] Gemäß der Erfindung können Widerstandsheizelemente als Draht-oder Heizrohre in die Keramik des Formkörpers eingelassen werden, vorzugsweise dicht unter der Oberfläche und an Stellen des größten Wärmebedarfs. Durch die relativ gute Wärmeleitung der keramischen Form wird die Wärme, die durch die Widerstandselemente erzeugt wird, wenn diese an eine äußere Stromquelle angeschlossen sind, schnell und wirksam an das einfließende Blei abgegeben. Die so beheizte Form begünstigt das vollständige Auffüllen mit flüssigem Blei. Sobald die Form aufgefüllt ist, wird die Widerstandsheizung abgeschaltet, und die Kühlwirkung des Kühlsystems sorgt für schnelle Erstarrung und Abkühlung des Bleigitters.

[0019] Erfindungsgemäß besteht aber auch die Möglichkeit, in der keramischen Form zwei oder mehrere Kontakte einer äußeren elektrischen Stromquelle so anzuordnen, daß diese bei Berührung mit dem in die Form einströmenden flüssigen Blei einen elektrischen Stromfluß im Blei ermöglichen, so daB durch Stromwärmebildung im Bleigitter selbst die zusätzliche Wärme erzeugt wird. Ist die Form voll aufgefüllt, wird die äußere Stromquelle abgeschaltet, und die Kühlwirkung des Kühlsystems wird wirksam.

[0020] Eine dritte Alternative ist eine Flammenheizung. Hierbei wird der Formträger von außen durch die Flammen beaufschlagt; die Wärmeleitung ist wegen der Wanddicke des Formträgers verzögert, sie kann jedoch mit einem entsprechenden zeitlichen Vorhalt eingeregelt und durch andere Profilgebungen des Formträgers optimiert werden.

[0021] Zwischen dem Formträger und der in dieser eingepaßten Form besteht trotz sorgsamster Bearbeitung nur selten ein einwandfreier Flächenkontakt. Im Regelfall werden als Folge einer Dreipunkt-Auflage des keramischen Einsatzes zwischen Form und Formträger Luftspalte erzeugt, die den erwünschten ungehinderten Wärmedurchtritt empfindlich stören. Erfindungsgemäß können die Luftspalte mit einem wärmeleitenden Medium ausgefüllt werden. Als ein solches Medium kommt ein chemisch inertes Wärmeleitöl, vorzugsweise ein hochsiedendes Paraffinöl, Silikonöl oder -wachs infrage. Die Verbesserung der Wärmeleitung zwischen keramischer Form und den kühlmitteldurchflossenen Leitern des Induktorheizsystems kann unter Benutzung solcher Wärmeleitöle ebenso verbessert werden.

Ansprüche

1. Verfahren zum Gießen von Elektrodengittern für elektrische Akkumulatoren in einer Gießform, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Einfüllvorganges aus dem Schmelzgut durch Wärmeleitung abfließende Wärme durch einen zusätzlichen Wärmeimpuls zumindest teilweise kompensiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der die Form füllenden Bleischmelze durch die Einwirkung magnetischer Wechselfelder erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch Widerstandsheizung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch Flammenheizung erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer geteilten Gießform aus porösem, elektrisch schlecht oder nicht leitendem Material besteht und daß ein Induktor einer Induktionserwärmungseinrichtung vorgesehen ist, durch dessen Wechselfeld durch Wirbelstrombildung im Blei zusätzliche Wärme erzeugt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gießform elektrische Widerstandsheizkörper oder Widerstandsdraht dicht unter der Oberfläche und an den Stellen des größten Wärmebedarfs eingelassen sind.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der formgebenden Oberfläche einer geteilten Gießform aus porösem, elektrisch schlecht oder nichtleitendem Material, vorzugsweise Sinterkeramik, Kontakte einer äußeren Spannungsquelle angeordnet sind, die bei Berührung durch einstürzende Schmelze einen Stromkreis schließen und daß im Blei durch dessen Widerstand eine Erwärmung erfolgt.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform mit einer Flammenbeheizung versehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform mit einer porösen, elektrisch nicht leitenden Keramikbeschichtung versehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform aus einem geteilten Formträger besteht, in den Formteile aus einem elektrisch nicht leitenden Keramikmaterial eingesetzt sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial Siliziumnitrid ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Übergangsbereich zwischen der Keramikform und dem Formträger ein wärmeleitendes Medium vorhanden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Medium ein hochsiedendes Paraffinöl oder -wachs ist.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Form oder der Formträger zumindest teilweise aus Trafoblechpaketen bestehen.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Form oder der Formträger zumindest teilweise aus ferromagnetisch leitenden Sintermaterial bestehen.

Zeichnung