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ALUMINIUM

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Innovative Gießtechnologie –hoher Qualitätsstandard

Innovative casting technology –high quality standards

Innovative Gießtechnologie –hoher Qualitätsstandard

Innovative casting technology –high quality standards

Veröffentlicht in / Originally published inALUMINIUM 79 (2003) 5

06254-03 LOI Sonderdr. Aluminiu 02.12.2003 16:59 Uhr Seite 1

letzt der hier beschriebenen, stelltdas Konzept seine Praxistauglich-keit und seine komfortable Be-dienbarkeit unter Beweis.

Das gesamte Anlagenkonzeptund speziell die Kokillenkonstruk-tion genügen höchsten Ansprü-chen an die Bedienung und dieBolzenqualität.

Bei der Konzeptionierung der inLaufen installierten Gießeinrich-tung standen vor allem drei Ge-sichtspunkte im Vordergrund:

� Ein hoher Qualitätsstandard fürdas Gießprodukt;� Konzentration des Gießers aufdie Kontrolle des Gießprozesses,ohne im Detail Entscheidungenzum Ablauf des Prozesses treffenzu müssen;� Ein gesteigerter Sicherheitsan-spruch für den Gießbetrieb.

The design of the new gravitydiecasting plant at AluminiumLaufen AG is orientated uncom-promisingly to the customer’squality requirements. This refer-ence plant for modern continuouscasting technology is describedbelow.

Building on the know-how of theformer VAW Aluminium AG, afurther developed gravity diecast-ing technique with imposed con-trols and refined process manage-ment including a closed coolingcircuit was set up. The plant as awhole comprises all equipment re-quired for the casting of billets,and its control system is broughttogether in an overall concept spe-cially developed for the castingmachine.

The concept demonstrates itspracticality and convenience inoperation in a number of plants,most recently the one describedhere. The plant as a whole and inparticular the die mould designsatisfy very strict demands in re-lation to both operation and billetquality.

The design of the casting equipment installed at Alumini-um Laufen has three main objec-tives:

� High quality standards for thecast product.� Concentration of the operatoron the control of the casting pro-cess, without having to make de-tailed decisions about the processsequence.� Increased safety during thecasting operation.

Die neue Stranggießmaschine derAluminium Laufen AG orientiertsich in ihrem Konzept kompro-misslos an den Qualitätsanforde-rungen des Kunden. Diese Refe-renzanlage für moderne Strang-gießtechnik wird im folgendenvorgestellt.

Aufbauend auf dem Know-howder früheren VAW Aluminium AGwurde eine weiterentwickelte Ko-killentechnik mit übergeordneterSteuerung und ausgefeilter Pro-zessführung inklusive geschlosse-nem Kühlkreislauf realisiert. Diegesamte Anlage umfasst alle fürdas Gießen von Bolzen erforderli-chen Einrichtungen, deren Steue-rung in einem speziell für dieGießmaschine entwickelten Ge-samtkonzept zusammengefasstwurden.

Mit verschiedenen Anlagen, zu-

Innovative Gießtechnologie - hoher QualitätsstandardInnovative casting technology – high quality standards

R. Lüngen, Wuppertal

Particular attention was paid tothe latter because the immediateproximity of molten aluminiumand water poses a potential risknot to be underestimated. Criticalsituations can arise especially ifthere are control errors, damageand similar unforeseen events. Toguard effectively against suchrisks, all the important functionsat Aluminium Laufen have built-in redundancy.

The quality standard achieved ischaracterised by the straightnessof the product, its surface quality,and by the thickness of the edgezone formed, i.e. the layer in whichcoarse grain-size is present. Inthese respects quality is influencedessentially by the die itself, themovement of the casting table andthe operator. It was upon thesethree factors, therefore, that thedesign of the casting machine fo-cused.

The operator should so far aspossible be free to concentrate oncontrol, i.e. observation of thecasting process in order to recog-nise deviations promptly andwhere necessary take appropriatecorrective action. To enable this,the operator is not involved in thecontrol or provision of specifica-tions for the casting process. Thesefunctions are performed by thesuperimposed control system. Ac-cording to the characteristics ofthe product to be cast, the alloy,diameter and length, a processspecification based on the caster’sexperience is called up.

The allocation of this specifica-tion to the batch to be cast can takeplace already as part of the workpreparation stage in the manage-ment office, and is then only con-firmed at the casting machine it-self.

By establishing the casting spec-ification in accordance with freelydefinable parameters associatedwith the product to be cast, a highreproducibility of the casting resultis ensured.

The entire casting process, start-ing with the testing of all elementsbefore casting begins, is continu-ously and automatically controlledand monitored. Pouring takesplace automatically, to reduce any

Der Qualitätsstandard des Gieß-produktes ist neben der Geradheitdurch die Oberflächengüte unddurch die Dicke der ausgebildetenRandzone, d.h. der Schicht mitgröberem Korn, gekennzeichnet.

Die Qualität wird dabei wesent-lich von den Faktoren Kokille,Gießtischführung und Bedienerbeeinflusst. Diesen drei Faktorenwidmet sich daher das Konzept derGießmaschine.

Der Bediener soll sich möglichstunbelastet auf die Kontrolle, d.h.die Beobachtung des Gießprozes-ses konzentrieren, um Abwei-chungen frühzeitig zu erkennenund gegebenenfalls adäquateMaßnahmen einleiten zu können.Dazu wird er von der Regelungoder Rezeptvorgabe für den Gieß-prozess entbunden. Diese wirddurch die übergeordnete Steue-rung übernommen. Entsprechendder Kenngrößen des zu gießendenProduktes, Legierung, Durchmes-ser und Länge wird ein Rezept, dasbasierend auf den Erfahrungen desGießers hinterlegt wurde, abgeru-fen.

Die Zuordnung des Rezeptes zurzu gießenden Charge kann dabeiim Rahmen der Arbeitsvorberei-tung bereits im Meisterbüro erfol-gen und wird an der Gießmaschi-ne selbst nur noch bestätigt.

Durch die Hinterlegung derGießrezepte, nach frei definierba-ren Parametern dem zu gießendenProdukt zugeordnet, wird eine ho-he Reproduzierbarkeit des Gießer-gebnisses gewährleistet.

Der gesamte Gießprozess, begin-nend mit der Prüfung aller Ele-mente vor Gießbeginn wird konti-nuierlich, automatisch gesteuertund überwacht. Der Anguss er-folgt automatisch, um die damitverbundenen Risiken für den Gie-ßer und die schwankenden Ein-flüsse des Faktors Mensch zu re-duzieren.

Durch die gewählte Ausführungder Gießmaschine mit einemselbstgeführten Gießzylinder mitintegrierter Verdrehsicherung isteine gleichmäßige, ruhige Füh-rung des direkt steif auf dem Zy-linder montierten Gießtisches ge-währleistet. Diese Art der inneren

Führung und Verdrehsicherungmacht die sonst bekannte außenliegende Führung des Gießtischesüberflüssig. Dadurch wird die In-standhaltung vereinfacht und dieBetriebssicherheit erhöht, weil dienicht vermeidbare Verschmut-zung der außenliegenden Füh-rungselemente ausgeschlossenwird. Durch die Ausbildung desGießzylinders ist eine sichere Füh-rung des Gießtisches auch für denFall gewährleistet, dass ein Teil der

Bolzen aufgrund eines Fehlersnicht in kompletter Länge gegos-sen werden kann.

Durch die spezielle Konstruktionder Stangendichtung und -füh-rung wird ein absolut Stick-Slipfreier Betrieb erzielt. Dieser ist un-bedingt erforderlich, um die ge-wünschte Oberflächenqualität zuerzielen.

Das Kernelement für einen Bol-zen hoher Qualität ist die Kokille.Um den Qualtitätsanforderungenzu entsprechen wird daher eineentsprechend ausgefeilte Kokil-lentechnik verwendet. Dabei spie-len die Konzeption der Kokille, diekonstruktive Ausführung und dieFertigung sowie die Regelung undÜberwachung der Medienflüsseineinander.

Konzeptionell sind heute im ein-fachsten Fall offene Kokillen mitSchwimmer und Düse, die einfa-chen Hot-Top-Kokillen mit undohne Graphitring bis hin zum hiergewählten Konzept der Air-Oil-Flow-Kokille gebräuchlich. Dabeisind alle heute üblichen Kokillenmit einer kontinuierlichen Öl-schmierung ausgestattet, um einezeitgemäße Oberflächenqualitätsicherzustellen.

Die Air-Oil-Flow-Kokille stelltdie qualitative Spitze der Kokil-lensysteme dar. Die Kokille ist zu-nächst wie eine Standard-Kokillemit einem umlaufenden Wasser-verteilring ausgestattet. Das Was-ser wird über Düsen, die im unte-

risks for the caster and eliminatethe fluctuating effects of the hu-man factor.

Thanks to the design chosen forthe casting machine, with a self-guided casting cylinder with inte-grated rotation prevention, uni-form and smooth guiding of thecasting table mounted rigidly onthe cylinder is ensured. This typeof internal guiding and rotationprevention makes it unnecessaryto provide the otherwise usual ex-ternal guiding of the casting table,so simplifying maintenance andincreasing operating reliability,since the unavoidable soiling of ex-ternal guide elements is excluded.The design of the casting cylinderis such that proper guiding of thecasting table is ensured even whenpart of the billets cannot be cast totheir full length owing to a fault.

The special design of the plun-ger seal and guidance system givesabsolutely stick-slip-free opera-tion. This is essential if the desiredsurface quality is to be achieved.

The core element for a high-grade billet is the die mould. Thus,to meet the quality requirementscorrespondingly sophisticated diemould technology is used. The de-sign, construction and productionof the die and the control and mon-itoring of media flows are all im-portant factors in this.

Conceptually, the simplest diemoulds today are open ones with afloat and nozzle, simple hot-topdies with or without a graphitering, and the concept chosen in thepresent case, namely air-oil-flowdie moulds. Nowadays, moreover,all the usual die moulds areequipped with continuous oil lu-brication to ensure the surfacequality now required.

The air-oil-flow die mould is thequalitative peak of the die system.The die is first set up as a standarddie with circulating water distri-bution. The water is sprayed bynozzles arranged in the lower areaonto the billet that is forming. Atthe top, the die is fitted with a hot-top, i.e. an insulating ring. Thisenables constant-level casting.

The metal is fed into the diethrough an inlet in the hot-toparea. If a die should malfunction,

this inlet can be closed and nomore metal enters the blocked die.At the same time, this feed systemensures a more uniform distribu-tion of the metal in the die.

In this case the lubrication of thedie, i.e. the supply of oil takesplace via a graphite ring whichgives a particularly even feed of thelubricant onto the sliding surface.This also reduced oil consumptionconsiderably and so too the con-tamination of the casting water inthe pit.

The shaping of the die is sup-ported by an automatically con-trolled air cushion, which produc-es the known, even surface of thecast product.

The metal level in the distribu-tion launder is determined by a la-ser sensor and regulated to the val-ue specified in the protocol. Thisadjustment of the metal level in thelaunder gives the same workingcondition for all the die mouldsfrom the standpoint of the moltenmetal.

All media are monitored by thecontrol system and regulated in ac-cordance with the specified proto-col parameters. For this, the flowrates of oil and water are measuredand adjusted to the specified val-ues by appropriate devices. The oilis distributed to individual mouldsby progressive distributors whichensure a uniform feed to all themoulds on the die mould table. Theair pressure set for each mould toa value specified in the protocol.For this, each mould is fitted witha pressure sensor; only in this waycan the air be supplied to individ-ual die moulds exactly as neces-sary for the process.

All material flows except for themolten metal are fed to the mouldsvia the mould table from under-neath. This dispenses with the oth-erwise usual hose-pipe connec-tions with all their familiar prob-lems. It also enables simple ex-change of the die moulds and inaddition results in a cleaner mouldtable surface.

The casting unit is equippedwith a closed cooling water circuit.The heat extracted during coolingis recovered and passed on for re-use.

ren Bereich angeordnet sind aufden sich bildenden Bolzen ge-spritzt. Im oberen Bereich ist dieKokille mit dem Heißkopf, einemisolierten Ring, ausgestattet. Da-durch ist niveaugleiches Gießenmöglich.

Die Zuführung des Metalls zurKokille erfolgt über einen Einlassim Bereich des Heißkopfes. BeiAusfall einer einzelnen Kokillekann dieser Einlass geschlossenwerden und es tritt kein Metallmehr in die gesperrte Kokille ein.Gleichzeitig wird über diese Artder Zuführung eine gleichmäßige-re Verteilung des Metalls auf dieKokillen erzielt.

Die Schmierung der Kokille, d.h.die Zuführung des Öls erfolgt hierüber einen Graphitring, wodurcheine besonders gleichmäßige Zu-führung des Gleitmittels auf dieGleitfläche erzielt wird. Dies redu-ziert zudem maßgeblich den Öl-verbrauch und damit die Ver-schmutzung des Kühlwassers inder Gießgrube.

Durch ein automatisch gesteuer-tes Luftpolster wird die Formge-bung der Kokille unterstützt unddie bekannt ebenmäßige Ober-fläche des Gießproduktes erzielt.

Der Metallstand in der Verteil-rinne wird mittels eines Laser-Sensors gemessen und auf den imRezept festgelegten Wert geregelt.Durch die Regelung des Metall-standes in der Verteilrinne wirddabei seitens des Flüssigmetallsein für alle Kokillen gleicher Ar-beitspunkt eingestellt.

Alle Medien werden durch dieSteuerung überwacht und ent-sprechend der vorgegebenen Re-zept-Parameter geregelt. Dazuwird der Durchfluss von Wasserund Öl gemessen und durch ge-eignete Elemente auf den Sollwertausgeregelt. Die Verteilung des Ölsauf die einzelnen Kokillen erfolgtdurch Progressiv-Verteiler, die diegleichmäßige Zuteilung zu allenKokillen des Kokillentisches si-cherstellen.

Die Luft wird für jede Kokille aufeinen im Rezept hinterlegtenDruck geregelt. Dazu ist jede Ko-kille mit einem Drucksensor aus-gestattet. Nur so lässt sich die Luftprozesskonform den einzelnen

Kokillen zuteilen.Alle Stoffströme mit Ausnahme

des Metalls werden der Kokilleüber den Kokillentisch von untenzugeführt. Dadurch entfallen diesonst üblichen Schlauchverbin-dungen mit all ihren Problemen.Dies ermöglicht auch einen einfa-chen Wechsel der Kokillen undbietet zudem eine saubere Ober-fläche des Kokillentisches.

Die Gießanlage ist mit einem ge-schlossenen Kühlwasser-Kreislaufausgestattet. Die bei der Kühlungabgegebene Wärme wird zurück-gewonnenen und einem weiterenNutzer zugeführt.

Alle für die Bedienung und Re-gelung der Gießanlage erforderli-chen Daten und Regelungen sindin der "Vilualca" zusammenge-fasst. Diese auf hohe Bediener-komfort und einfaches Verständ-nis ausgerichtete Bedienoberflä-che ist sowohl vor Ort an der Gieß-maschine als auch im Meisterbüroauf einem PC oder auch im über-geordneten Firmennetzwerk ver-fügbar. Durch die gleiche Oberflä-che können an jeder Stelle alle er-forderlichen Eingaben und Be-dienvorgänge ausgeführt werden.Dies hat nicht nur den Vorteil ei-ner einheitlichen Bedienung an al-len Stellen sondern gewährleistetauch die Redundanz der einzelnenSteuerungseinheiten. WesentlicheModule der "Vilualca" sind:

� die Eingabe und Verwaltung der

Rezeptur,� das vollautomatische Angie-ßen,� der vollautomatisch gesteuerteGießprozess,� das Not-Abgießsystem für Stö-rungen wie z.B. Stromausfall.

Die Grundlage für die Steuerungs-und Regelung der Gießmaschineist die lückenlose Überwachungaller Anlagenelemente. Gemessenwerden dazu:

� das Niveau der Badoberfläche,� alle relevanten Temperaturender Metallschmelze, beginnend imGießofen,� die Kühlwassertemperatur,� alle Bewegungen und Durch-flussmengen (Wasser, Öl, Luft),� die Position des Gießtisches.

Die Speicherung aller Prozessda-ten erfolgt im Minutentakt in ei-ner SQL-Datenbank, wodurch je-derzeit die Analyse auch längerzurückliegender Gießprozesse, z.B. zur Optimierung der Rezeptpa-rameter oder zur Ermittlung vonUrsachen für Qualitätsabweichun-gen, möglich ist. Dadurch genügtdie Überwachung auch höchstenAnsprüchen des Qualitätsmanage-ments.

Durch die online Trenddarstel-lung während des Gießprozesseswird dem Gießer ein Hilfsmittel andie Hand gegeben, das es ihm er-möglicht, frühzeitig Maßnahmeneinzuleiten. Durch die automati-sche Fehler- und Abweichungs-analyse werden von der Steuerungkonkrete Hinweise auf Abwei-chungen vom Sollvorgang gege-ben.

Die hier beschriebene Gießanla-ge erfüllte die in sie gesetzten Er-wartungen im vollem Umfang undstellt einen Meilenstein für einezeitgemäße, bedienerfreundliche,sichere und ökonomische Produk-tion dar.

Autor

Ralf Lüngen hat seinen fachlichen Hin-tergrund in der Entwicklung bei derVAW Aluminium AG und durch lang-jähriges Engagement in der Gießereiin-dustrie als selbstständiger Unternehmerund ist heute bei Schmitz+Apelt LOI zu-ständig für die Gießtechnologie.

All the data required for the op-eration and adjustment of the cast-ing equipment are held in a so-termed "Vilualca” system. Thisoperator interface, designed forconvenient operation and easy tounderstand, is available both onthe spot at the casting machineand in the control office on a PCor in the overall company networkas well.

This interface can be used tocommand inputs and operationprocedures at any point. This hasthe advantages not only that oper-ations are effected uniformly at allpoints, but also that redundancy ofindividual control units is ensured.The essential modules of the "Vil-ualca” system are:

� Input and management of theprotocols,� fully automatic pouring,� fully automatically controlledcasting process,� emergency decanting system foruse in the event of faults such aselectric power failure.

The basis for such a control systemof the casting machine is continu-ous monitoring of all the plant ele-ments. For this, the following pa-rameters are measured:

� The level of the bath surface,� all the relevant temperatures inthe melt, beginning in the castingfurnace,� the temperature of the casting

water,� all movements and flow quan-tities (water, oil, air),� The position of the casting ta-ble.

All the process data are stored atone-minute intervals in a SQLdatabank, which makes it possibleat any time to analyse even cast-ing processes carried out a longtime ago, for example to optimisethe protocol parameters or to de-termine the causes of quality vari-ations. This satisfies the monitor-ing needs even for the most de-manding quality management pro-cedures.

The on-line display of trendsduring the casting process is veryhelpful to the operator, enablinghim to take appropriate actionwell in time. Automatic fault anddeviation analysis enables the con-trol system to deliver concrete in-dications of deviations from thenominal process parameters.

The casting plant described herehas fulfilled expectations com-pletely, and represents a milestonefor modern, operator-friendly, safeand economical production.

Author

Ralf Lüngen’s technical backgroundstems from development work at VAWAluminium AG and draws upon manyyears of involvement with the foundryindustry as an independent entrepren-eur. Today, he is responsible for castingtechnology at Schmitz+Apelt LOI.