Einguss

Erster Teil des Eingusssystems, bestehend aus dem in Bild 1 dargestellten

1) Eingusstrichter bzw. Eingusstümpel
2) Eingusskanal
3) Lauf (auch Schlackenlauf, Verteilerlauf)
4) Anschnitt.

In den Einguss wird das Metall aus der Pfanne eingeleert. Dieser ist entweder als Trichter mit kreisförmigen der rechteckigen Querschnitt (Bild 2, 1) oder als Tümpel in Form einer halbierten Birne ausgebildet (Bild 1, 2 bis 4). Im Gegensatz zum Trichtereinguss hat ein Eingusstümpel den Vorteil, dass die Einleer- und die Ablaufstelle räumlich voneinander getrennt liegen. Das bedeutet, das Metall kommt beim Eingießen schneller zu Ruhe und Schlacke, Schaum und Luft werden vom Sog des Eingusskanals nicht mit in die Form gespült: die Grundvoraussetzung ist dabei eine ausreichende Dimensionierung Gestaltung des Tümpels und dass dieser bei der jeweiligen Gießleistung der Pfanne voll gehalten werden kann. Eine weitere Möglichkeit Verunreinigungen, Krätze und Schlacke im Einguss zurückzuhalten besteht durch den Einbau einer Schlackenscheidewand in den Gießtümpel (Bild 2, 3).

Bei Großgussstücken sind speziell ausgelegte Tümpelgrößen notwendig. Der Ablauf zum Gießtrichter wird dann meist mit einem Stopfen verschlossen und erst dann geöffnet, wenn der Tümpel gefüllt ist (Bild 2, 4). Um einen Strömungsabriss zu verhindern, ist der Übergang vom Tümpelboden in den Gießtrichter gut zu verrunden.

Der Eingusskanal wird auch als Einlaufkanal, Stempel oder Stehlauf bezeichnet und verbindet den Eingusstümpel bzw. den Eingusstrichter mit dem Lauf. Der Eingusskanal hat die Aufgabe, die Schmelze auf senkrechtem Wege dem Gießlauf zuzuführen. Üblicherweise wird der Eingusskanal bei Sandformen mit kreisrundem Querschnitt ausgeführt. Bei Kokillenformen mit senkrechter Formteilung ist der Querschnitt des Eingusstrichters häufig rechteckig und mit Formschrägen ausgebildet, so dass sich insgesamt ein Trapezquerschnitt ergibt.

Theoretisch erreicht die Strömungsgeschwindigkeit des unter der Wirkung der Schwerkraft in einem senkrechten Eingusskanal abfließenden Metalls die in Bild 3 angegebenen Werte. Im Idealfall, wenn weder Reibung noch Gegendruck vorliegt, beträgt die Strömungsgeschwindigkeit nach Glg. 1:

Glg.1:
v = sqrt{2gh}

v = Strömungsgeschwindigkeit in m/s im senkrechten Eingusskanal; g = Erdbeschleunigung 9,81 m/s² ; h = wirksame Fallhöhe in m

Der Volumenstrom und die Gießgeschwindigkeit werden in erster Linie somit von der Strömungsgeschwindigkeit und den Strömungsquerschnitten bestimmt. Im Gießkanal treten jedoch Reibungsverluste auf, die mit zunehmendem Strömungsquerschnitt größer werden. Mit steigender Metallspiegelhöhe nimmt auch der metallostatische Gegendruck im Formhohlraum zu und vermindert dadurch die wirksame Gießhöhe des Eingusses.

Der senkrecht nach unten führende Eingusskanal wird zweckmäßigerweise konisch gestaltet, und zwar nicht nur aus formtechnischen Gründen, sondern auch in Anbetracht der Tatsache, dass sich der fallende Metallstrahl mit zunehmender Fallgeschwindigkeit einschnürt. In einem genau zylindrisch ausgeführten Eingusskanal würde wegen der Querschnittseinschnürung des Metallstrahles Luft angesaugt werden und folglich Turbulenz und Schaumbildung entstehen.

Friedrich Nielsen hat durch seine Untersuchungen und Berechnungen den Beweis angetreten, dass der Eingusskanal nicht Teil des Flüssigkeitsbehälters im Sinn von Torricelli ist. Er stellte fest, dass an keiner Stelle des Einlaufes die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, also der Metallschmelze, dauernd größer sein kann, als es der für diese Stelle gegebenen statischen Druckhöhe entspricht. Das heißt, wenn der Einlauf von oben bis zu seinem unteren Ende einen konstanten Querschnitt aufweist, kann sich kein kompakter Strom ausbilden. Daran ändert auch eine geringe Konizität nichts.

Am oberen Beginn des Einlaufes kann daher nur so viel Metall pro Zeiteinheit einfließen, wie es der dort herrschende statische Druck und der Querschnitt zulassen. Während des weiteren Abstürzens des Metalls vergrößert sich zwar die Geschwindigkeit nach dem Gesetz des freien Falls (nach Glg. 1), aber nicht die durchströmende Schmelzemenge. Als Folge zieht sich der Metallstrom zusammen, bzw. löst sich bei hohem Gefälle in Teilströme auf. Solange der Eingusstrichter nicht vollständig mit Schmelze angefüllt ist, kann daher die Luft mitgerissen und mit der Schmelze vermischt werden, wie in Bild 4 schematisch dargestellt ist.

Die Querschnittseinschnürung lässt sich nach dem physikalischen Gesetz des freien Falls berechnen und dementsprechend können auch die Kanalquerschnitte des Eingusses festgelegt werden. Hiernach beträgt der Kanaldurchmesser d für eine bestimmte Fallhöhe h nach Glg. 2 (Bild 5):

Glg. 2:

d = Durchmesser des Eingusskanals in cm; V = Volumenstrom in cm³/s; h = Fallhöhe in cmWenn man an Stelle eines kreisförmigen einen quadratischen Eingussquerschnitt mit den Abmessungen a · a wählt (Bild 5), ergibt sich in Analogie die Glg. 3:

Glg. 3:
d = 0,15 cdot sqrt{frac{v}{sqrt{h}}}

Diese Eingüsse kommen den Nielsen-Eingüssen (siehe unten) sehr nahe. Das flüssige Metall erreicht am unteren Ende des Eingusses, dem engsten Querschnitt, eine beträchtliche Geschwindigkeit. Durch die 90°-Umlenkung vom Eingussende in den Lauf, dessen Querschnitt normalerweise größer als der kleinste Eingussquerschnitt bemessen wird, erfolgt eine deutliche Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit, die Strömung wird also gebremst. Hier ist die Gefahr besonders groß, dass turbulente Strömungen entstehen und die Ursache dafür sein können, dass aus der Form Teilchen ausgespült und Gießgase mitgerissen werden. Bild 6 zeigt zwei Beispiele für strömungstechnisch günstig gestaltete Übergänge.

Nielsen-Einguss für Sand- und Kokillenguss

Friedrich Nielsen hat Glg. 1 unter Verwendung der Kontinuitätsgleichung (Glg. 4), worin der Volumenstrom dem Produkt aus Querschnitt und Geschwindigkeit entspricht, umgebaut zu:

Glg. 4:
V = A cdot v

Diese Glg. 4 wird mit Glg. 1 nach A aufgelöst und zu Glg. 5:

Glg. 5:
A = frac{0,0226 cdot V}{h}

V = Volumenstrom in cm³/s; A = Querschnitt in cm²; v = Strömungsgeschwindigkeit in cm/s; g = Erdbeschleunigung 981 cm/s²; h = Fallhöhe in cmFriedrich Nielsen leitet aus dieser Gleichung standardisierte Einläufe für den Sand- und Kokillenguss ab. Diese Läufe weisen Querschnitte nach Glg. 6 auf:

Glg. 6:
A = frac{0,0226 cdot m cdot V}{h^n}

n > 0,5 und m > 1,0 und A = Querschnitt in cm²Er erreicht damit eine geringfügig stärkere Querschnittsverjüngung als aus Glg. 5 und vermeidet damit ein Abreißen des Stromes von der Einlaufwand des Eingusskanals während des Angießens, der ohne Berücksichtigung durch Reibungsverluste verursacht würde. Nielsen fasst den Ausdruck 0,0226 · m · V zusammen als C, somit lautet die Gleichung (Glg. 7) zur Ermittlung der Nielsen-Standard-Einlaufquerschnitte:

Glg. 7:
A = frac{C}{h^n}

hat er Tabellen erstellt (Tabellen 1, 2 und 3), die für jede Laufgröße die entsprechenden Werte für C und n enthalten. Die Bezeichnungen der Tabellen werden nachfolgend erläutert:

Bez. Erläuterung:

Nr. -> entspricht dem Nominal-Volumenstrom VN in cm³/s

C -> Konstante der Querschnittsgleichung A=C/hn (Glg. 7)

n -> Exponent, der den Fallhöhen zugeordnet ist

hN → Länge (Fallhöhe) des Einlaufs, bei der die theoretische Ausflussmenge ohne

Berücksichtigung der Reibung VN sein würde.
hmax → größte Fallhöhe des Einlaufs, bis zu der die Einzeltafeln ausgerechnet sind
k → Koeffizient in der Gleichung für den Reibungswiderstand in den Einläufen bis zur Länge h,

wenn die Menge VN tatsächlich fließen würde: RN = k · h2,5·n-1
2,5 · n - 1 ->Exponent der Gleichung für den Reibungswiderstand

Literatur:
Friedrich Nielsen, Gieß- und Anschnitttechnik - Grundlagen und Anwendung einer Methode, Giesserei-Verlag GmbH Düsseldorf, 1979.

Zurück zur Übersicht