DE60314846T2

DE60314846T2 - Verfahren und einrichtung zum verdichten von materialien

Info

Publication number: DE60314846T2
Application number: DE60314846T
Authority: DE
Inventors: Dag Herman Andersen; Lars Magne Bjorbekk
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2023-02-08
Also published as: WO2003068468A1; CA2474878A1; BR0307353A; ATE366648T1; RU2004127440A; CN1633354A; IS7397A; CA2474878C; CN100415470C; RU2311986C2; AU2003206268B2; ES2289259T3; DE60314846D1; NO20020744L; EP1476288B1; AU2003206268A1; EP1476288A1; NO20020744D0; NO316162B1; AR038838A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdichten von Materialien. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Vibration von „grüner Masse" in einem Gussverfahren zur Erzeugung von Gusskörpern zur Herstellung von Elektroden für die Schmelzindustrie, insbesondere die Aluminium-Elektrolyseindustrie.
Derartige Elektroden, insbesondere Anoden, werden aus „grüner Masse" hergestellt, auf die in einer Vibrationsvorrichtung die Verdichtung angewandt wird, wobei die Vorrichtung aus einem Gusskasten mit einer Basis und Seitenwänden bestehen kann, die auf einer Auflage angebracht sind, und des Weiteren aus einem Lot, das zwischen den Gießformwänden (den Seitenwänden des Gusskastens) nach unten fahren kann. Auf dem Markt sind grundsätzlich zwei Arten von Vibrationsvorrichtungen zum Giessen von Anoden verfügbar, Vorrichtungen mit Lotvibration und Vorrichtungen mit Auflagenvibration. Der Hauptunterschied zwischen diesen ist der Ort der Vibrationseinheit, die die dynamische, senkrechte Einsatzkraft für die Vorrichtung erzeugt. Bei Vorrichtungen mit Lotvibration ist die Vibrationseinheit an dem Lot angebracht oder darin integriert. Bei Vorrichtungen mit Auflagenvibration ist die Vibrationseinheit an der Auflage angebracht oder darin integriert.
Die Patentanmeldung NO-132359 bzw. deren amerikanisches Äquivalent US 3,932,100 betrifft eine Vibrationsvorrichtung mit Lotvibration zur Verdichtung von Giessformkörpern zur Herstellung von Anoden- und Kathodenblöcken. Die Beschreibung offenbart, dass die Lotvibration viele Vorteile gegenüber der Auflagenvibration bietet, insbesondere in Bezug auf die Einfachheit der Vorrichtung. Durch die Bewegung der Vibrationseinheit zum Lot hin, besagt der Anspruch, kann das Vibrationsprinzip vereinfacht werden, da die Basis stationär und am Boden befestigt ist. Gemäß dieser Quelle wird der Verdichtungseffekt durch einen oder mehrere Vibrationsgeneratoren erreicht, die nur an dem Abdeckgewicht oder an dem Lot angeordnet sind, wobei die Basis stationär und die Gießformwände während des Herstellungsvorgangs an der Basis befestigt sind. In Übereinstimmung mit der Lösung, die dieser Quelle angeführt ist, muss die Auflage die stationäre Basis sein, um ein gekoppeltes mechanisches System mit mehreren vibrierenden Massen zu vermeiden, was auch in der Figur, die der Quelle beigefügt ist, illustriert wird.
JP-A-11 226698 offenbart ein oberes Vibrationsdruckgerät in einer Vibrationsgießformmaschine für Grünsandformen. Das Prinzip für die Vibration ist ähnlich zu der aus der oben genannten Quelle und basiert nicht auf den Prinzipien gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden durch Beispiele und Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1: ein vereinfachtes Schaubild einer verbesserten Vibrationsvorrichtung, die kein Teil der vorliegenden Erfindung ist
2: ein vereinfachtes Schaubild einer ersten Ausführungsform der Vibrationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
3: ein vereinfachtes Schaubild einer zweiten Ausführungsform der Vibrationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
4: ein vereinfachtes Schaubild einer dritten Ausführungsform der Vibrationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
5: ein vereinfachtes Schaubild einer vierten Ausführungsform der Vibrationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
6: ein Schaubild einer mechanischen Ausführung des Prinzips aus 4. Die Figur zeigt des Weiteren einen Vorschlag, wie die Anodenmasse mit einem Vakuum vibriert werden kann, wobei eine Vakuumkammer die Anodenmasse und einen Teil des vollständigen Lots einschließt.
Das mechanische System aus NO-132359 wurde in Experimenten getestet, aber die Experimente zeigten, dass eine Vibrationsvorrichtung umfassend eine vibrierende Masse nicht das erwartete Ergebnis zeigte. Der Grund dafür war die Übertragung von dynamischer Energie auf die Umgebung, wobei die Vorrichtung ebenfalls instabil war. Die Auflage wurde hierauf in den Experimenten verbessert und in eine Masse umgewandelt, die durch Anordnen einer Feder k₁ und eines Dämpfers d₁ zwischen der Auflage m_b und der Basis U vibriert werden konnte, siehe 1. In der Figur wird die Anodenmasse m_a als komplexe Feder dargestellt, die auch aus einer Feder und einem Dämpfungselement k₂, d₂ bestehen kann. Für die Anodenmasse oder das Federdämpfsystem zwischen der Auflage und dem Boden ist es zweckmässig, als komplexe Federn ausgedrückt zu werden, weil komplexe Feder ein echtes Federelement und ein Hysteresedämpfungselement aufweisen. Die Anodenmasse kann selbstverständlich andere Formen der Dämpfung als Hysteresendämpfung aufweisen, wie zum Beispiel Luftdämpfung, usw. Auf die gleiche Weise können verschiedene Formen der Dämpfung in einem echten Dämpfungselement stattfinden, wie zum Beispiel Gummidämpfungen, die zwischen der Auflage und der Basis angebracht sind. In 1 wird das vibrierende Lot als m_l dargestellt. Die dynamische Einsatzkraft als F_{dyn_in} gegen die Vorrichtung ist eine senkrechte periodische Kraft. Gemäß der oben genannten Einrichtung besteht die verbesserte Vorrichtung aus einem gekoppelten mechanischen System mit zwei vibrierenden Massen. Ein gekoppeltes System mit zwei vibrierenden Massen kann auch durch Anwenden von Vibration auf die Auflage statt auf das Lot erzeugt werden.
Als Folge der oben genannten Verbesserung konnte der Umgebungslärm bedeutend reduziert werden. Dies geschah aus vielen Gründen:

• Bei zwei vibrierenden Massen und durch das Wählen eines Frequenzbereichs, in dem die Auflage und das Lot in die Gegenrichtung der eigentlichen Phase schwingen, (in Richtung 180°) erhöhte sich die dynamische Vestärkung der Verdichtungskraft gegen die Anodenmasse, weil die Auflage die Verdichtungskraft auch antrieb und dazu beisteuerte. Dies bedeutete, dass die dynamisch Einsatzkraft gegen die Vorrichtung reduziert werden konnte, um die gleiche dynamische Verdichtung der Anodenmasse zu erreichen. Dies wiederum führte dazu, dass die dynamisch übertragene Kraft auf die Basis U reduziert wurde, weil die dynamische Einsatzkraft reduziert worden war.
• Der Dämpfer d₁ zwischen der Auflage m_b und der Basis U leitete dynamische Energie ab.
• Die Basis U war gegen Stöße des Lots geschützt. Ein Stoß enthält eine Reihe von Frequenzkomponenten. Die dynamische Energie gegen den Boden konnte sehr hoch sein und beliebig, wenn die Energie direkt aus dem Lot kam. Der Auflage wurde eine schützende Rolle gegeben, so dass der Boden eine durchgehende sinusförmige Kraft mit der gleichen Frequenzkomponente der Auflage wie die der dynamischen Einsatzkraft erfuhr, statt der Stöße vom Lot.
• Die Vorrichtung wurde auf Grund des Dämpfungselements d₁ stabilisiert.

Nicht stabile Niedrigfrequenzbewegungen der Vorrichtung wurden gedämpft.
Im Zusammenhang mit der Entwicklung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und auf der Basis des oben genannten Wissens wurde beschlossen, dass die Vorrichtung keine Basis und kein Fundament aufweisen sollte (die große passive Masse unter der Vorrichtung). Es wurde herausgefunden, dass die optimale Vorrichtung so weit wie möglich die dynamische Energie selbst isolieren sollte, so dass diese von der Vorrichtung und so weit wie möglich von der zu verdichtenden bzw. formenden Masse absorbiert würde, so dass eine minimale Menge davon an die Umgebung abgegeben würde. In der verbesserten Vorrichtung hat ein Fundament unter dem Boden, auf dem die Vibrationsvorrichtung angeordnet ist, den einzigen Zweck, die übrige dynamische Energie, die von der Vibrationsvorrichtung ausgegeben wird, zu dämpfen.
In der oben genannten Patentanmeldung NO-132359 wird ferner eine „konstante Druckkraft, zum Beispiel mit Hilfe eines hydraulischen Zylinders" vorgeschlagen (Bezugsnummer 16 in der Figur), die auf das Lot angewandt wird. Die Absicht war, das Gewicht des Lots zu reduzieren. Dies ist eine sehr unvorteilhafte Weise, eine externe statische Kraft auf das Lot anzuwenden. Erstens wurde der hydraulische Zylinder stationär mit der Basis verbunden. Die dynamische Energie verbreitet sich dann über diese Verbindung mit der Basis. Zweitens enthält der hydraulische Zylinder eine Dämpfung und leitet die dynamische Energie, die für die Anodenmasse gedacht war, direkt ab. Die dynamische Verstärkung gen Anodenmasse wurde reduziert. Es wurden Experimente mit einem hydraulischen Zylinder durchgeführt, die aus den oben genannten Gründen scheiterten.
Die vorliegende Erfindung betrifft weitere Verbesserungen des Standes der Technik mit Hilfe eines Verfahrens, das die Merkmale aus Anspruch 1 aufweist; wobei die Vorrichtung die Merkmale aus Anspruch 10 aufweist, zum Verdichten von Materialien, insbesondere die Vibration von „grüner Masse" in einem Gussverfahren zur Herstellung von Giessformkörpern zur Herstellung von Elektroden für die Schmelzindustrie. Die Vorrichtung umfasst zwei Giessformteile, wobei auf mindestens eines davon während des Verdichtungsverfahrens eine Vibration angewandt wird. Des Weiteren werden die Giessformteile, zum Beispiel die Auflage und das Lot, während der Vibration mit Hilfe einer statischen Druckkraft, die aus mindestens einer Feder k₃ bestehen kann, miteinander verbunden. Die Vibrationsvorrichtung kann als geschlossenes System ausgestaltet sein, in dem die Vibrationsenergie so wenig wie möglich an die Umgebung abgegeben wird. Vier Ausführungsformen der Vorrichtung als geschlossene Systeme werden in den 2 bis 6 dargestellt. Ein wichtiger Unterschied zwischen der Ausführungsform aus 1, die keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, und den in 2 bis 6 Dargestellten ist, dass die Auflage in den letzteren mit dem Lot über eine oder mehrere Federn k₃, oder einer Anordnung, die einer Feder k₃ entspricht, verbunden ist.
Obwohl die Figuren zeigen, dass das Lot vibriert wird; können die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch umgesetzt werden, wenn die Auflage vibriert wird. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können auch für die waagerechte Vibration von Giessformteilen benutzt werden. Die Giessformteile können dann auf solche Weise zusammengesetzt werden, dass sie über eine größtenteils waagerechte Basis gleiten können, zum Beispiel, indem die Giessformteile von einer Stütze gestützt werden, die in eine waagerechte Richtung gleiten kann (nicht dargestellt).
Bei der vorliegenden Erfindung können Materialien schneller und präziser als mit Vorrichtungen aus dem Stand der Technik und mit einem höheren Grad an Verdichtung und weniger Energieverlust an die Umgebung verdichtet werden. 6 zeigt ferner, wie es möglich ist, eine derartige Vorrichtung mechanisch auf solche Weise zu gestalten, dass ebenfalls eine Vibration mit einem Vakuum erreicht wird, wobei die Vakuumkammer so klein wie möglich ist und die Gasentleerungszeit minimal ist. Diese und andere Vorteile können mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden, die in den angefügten Ansprüchen 1 bis 18 definiert werden.
Die angefügten 2 bis 5 sind vereinfachte Schaubilder einer Vibrationsvorrichtung bei der Vibration, wenn eine Masse m_a zusammengepresst oder verdichtet wird. 6 ist eine Ausführungsform des vereinfachten Schaubilds aus 4. 2 bis 6 werden mit Hilfe der folgenden Definitionen erklärt.
Definitionen:

U: Die Basis
m_a: Die von der Vibrationsvorrichtung zu verdichtende Masse.
k₂: Die Federkonstante der Masse m_a.
d₂: Die Dämpfung der Masse m_a. Die Dämpfung kann in Form von Hysterese, Viskosedämpfung, Reibung, usw. geschehen (nur ein Symbol in den Figuren wird für die Dämpfung benutzt, obwohl es sich auch um Kombinationen von verschiedenen Formen der Dämpfung handeln kann).
m_i: Die Masse des Lots oder der Masse, die zwischen der Masse m_a und dem Körper mit der Federkonstante k₃ schwingt. Die Vibrationseinheit zur Lotvibration ist in dieser Masse enthalten. In einigen Anlagen kann ferner eine Gabel als Lotmasse enthalten sein, wie in den 3, 4 und 6 dargestellt. Wie in 6 zu sehen ist, ist nur ein Teil der Gesamtmasse des Lots in der Vakuumkammer. Die Gabel und die Vibrationseinheit sind außerhalb, aber durchgehend mit Bolzen mit dem Teil des Lots verbunden, das sich innerhalb der Vakuumkammer befindet.
m_b: Die Masse der Auflage Die Masse, die zwischen der Masse m_a und dem Körper mit der Federkonstante k₁ oder dem Körper mit dem Dämpfungselement d₁ schwingt.
k₁: Ein oder mehrere Körper mit einer Gesamtfederkonstante k₁, die zwischen der Ablage mit der Masse m_a und der Basis U angeordnet ist.
d₁: Ein oder mehrere Körper mit einer Gesamtdämpfung d₁, die zwischen der Auflage mit der Masse m_b und der Basis U angeordnet ist. Die Dämpfung kann in Form von Hysterese, Viskosedämpfung, Reibung, usw. stattfinden (es wird in den Figuren nur ein Symbol für die Dämpfung verwendet, obwohl Kombinationen der verschiedenen Dämpfungsformen benutzt werden können).
k₃: Ein Körper mit der Federkonstante k₃. Das Lot muss über Vorrichtungen mit der Auflage verbunden sein, welche die gleichen Eigenschaften wie die Feder k₃ aufweisen. Die äquivalente Feder muss zunehmend sein, das heisst, die statische Kraft durch diese muss unabhängig davon sein, wie viel Masse m_a verdichtet wird. Mit k₃ muss die statische Kraft von der Auflage zu dem Lot variiert oder konstant gehalten werden können, ungeachtet der Verdichtung der Masse m_a. Zur gleichen Zeit muss die Vorrichtung, die k₃ wiedergeben soll, eine Mindestdämpfung aufweisen, weil sie die dynamische Energie der Vorrichtung als ganze Größe aufnimmt. Ein Beispiel für eine derartige Vorrichtung können Federkörper mit verstellbarem Luftdruck sein, wie in 6 dargestellt, wobei ein Satz Federkörper jeweils an jedem Ende der Gabel angeordnet ist. Die Federkörper „drücken" während der Vibration das Lot in Richtung Masse m_a. Die Federkörper erhalten die Druckkraft von der Auflage m_b.

In einer Ausnahme kann der Körper mit der Federkonstante k₃ auch ein festes Federmerkmal aufweisen, wenn die „seitlichen Arme" der Auflage während der Vibration höhenverstellbar sind, wie in 5 dargestellt, so dass die statische Kraft durch k₃ unabhängig davon ist, wie stark die Masse m_a verdichtet wird. Eine derartige Höhenverstellbarkeit kann mit seitlichen, ausziehbaren seitlichen Armen umgesetzt werden, zum Beispiel durch das Benutzen von Bundschrauben oder hydraulischen bzw. pneumatischen Zylindern.

F_{dyn_in}: Die mechanisch dynamische Einsatzkraft auf die Vibrationsvorrichtung. Eine periodische Kraft mit einer oder mehreren Frequenzkomponenten. Die Vibrationseinheit, die an dem Lot zur Lotvibration befestigt ist, erzeugt die dynamische Einsatzkraft. F_{dyn_in} weist die gleiche Richtung auf wie die Masse m_a, die verdichtet wird. In 6 ist die Vibrationseinheit in die Gabel integriert.

Die Parameterwirkung während der Vibration bei der Lotvibration:

k₁: Die Vibrationsvorrichtung wurde an ein mechanisches System mit zwei vibrierenden Massen angeschlossen, eine aktive Masse m_l und eine passive Masse m_b.

• Erhöhen der dynamischen Verstärkung der dynamischen Kräfte auf die Masse m_a. Die Druckkraft auf die Masse m_a steigt an, weil die Masse m_b in hohem Maße zu der dynamischen Druckkraft beiträgt.
• Reduzierter Lärm an die Umgebung, weil sich die Auflage und das Lot auf die Basis in der Gegenrichtung der eigentlichen Phase in hohem Maße neutralisieren. Die auf die Basis übertragene dynamische Kraft ist daher geringer.

d₁:

• Höhere Stabilität, da d₁ ungewünschte Niederfrequenzbewegungen in der Vibrationsvorrichtung auf der Auflage und dem Lot herausfiltern und dadurch verhindern kann, dass die Vorrichtung instabil wird.
• Weniger Lärm an die Umgebung, weil d₁ die Energie ableitet und als Puffer für die Basis dient.
• Dennoch kann eine reduzierte dynamische Verstärkung der dynamischen Kräfte auf die Masse m_a auftreten, wenn die Dämpfung zu stark ist oder die Grundfrequenz der Druckkraft zu schwach ist, so dass d₁ im Niederfrequenzbereich die Aufgabe zur Dämpfung hat.

k₃: Einführung von k₃ mit statischer Kraft von der Auflage zum Lot.

• Weitere Steigerung der dynamischen Verstärkung von dynamischen Kräften auf die Masse m_a auf Grund einer höheren Verdichtungsamplitude der Masse m_a und einer höheren Frequenz. Da es möglich ist, die statische Kraft auf die Masse m_a mit Hilfe von k₃ zu steigern, wird die dynamische Kraft auf die Masse m_a ebenfalls gesteigert. Die Vibrationseinheit ist über k₃ ebenfalls indirekt mit der Auflage verbunden, so dass sie zu einer gesteigerten Beschleunigung der Auflage beiträgt und damit zu einer gesteigerten dynamischen Kraft. Ein weiterer Grund für die höhere dynamische Verstärkung ist, dass die statische Kraft durch k₃ zu einer dynamischen Bewegung der Masse m_a führt und die gesamte dynamische Bewegung der Auflage und des Lots erreicht. Die Dynamik des Lots wird auf diese Weise weiter in die zu verdichtende Masse m_a „gedrückt". Dies führt zu einer höheren Verdichtungsamplitude von m_a. Die Betriebsfrequenz der Vorrichtung steigert sich ebenfalls, weil die Masse m_a die Auflage und das Lot in einem höheren Maße beschleunigt, weil sie über einen Schwingungszeitraum in längerem Kontakt mit dem Lot steht. Die höhere dynamische Kraft trägt zu der Möglichkeit bei, zu einem höheren Grad der Verdichtung der zu verdichtenden Masse m_a beizutragen.
• Reduzierte Vibrationszeit auf Grund einer höheren Frequenz und einer höheren Verdichtungsamplitude von m_a. Dies führt zu einer höheren Kapazität. Messungen zeigen, dass die Zeit von einer Vibrationszeit von ungefähr 60 Sekunden auf ungefähr 20 Sekunden reduziert werden kann.
• Reduzierter Lärm, weil k₃ die dynamische Energie innerhalb der Vorrichtung speichert und somit weniger an die Umgebung ausgibt. Die gespeicherte dynamische Energie in k₃ wird an die Masse m_a zu dem Zeitpunkt der Vibration abgegeben, in der k₃ ausgeweitet bzw. m_a verdichtet wird. Die Vorrichtung wird daher eher ein geschlossenes System. Wenn die Federnachgiebigkeit in k₃ erhöht wird, kann die Vorrichtung mehr dynamische Energie speichern.
• Höhere Stabilität, weil d₁ weiter erhöht werden kann, ohne dass die Druckkraft auf die Masse m_a reduziert wird. Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung ist, dass es möglich ist, nur mit der Vibrationseinheit die Vibrationsfrequenz der Vorrichtung einzustellen. Die Betriebsfrequenz kann daher in einem höheren Maß aus dem Niederfrequenzbereich bewegt werden, so dass es leichter ist, Niederfrequenzsignale mit d₁ zu dämpfen, ohne dass das Verdichtungssignal, das eine höhere Frequenz aufweist, gedämpft wird (leichter, einen Hochpassfiler einzuführen). Es ist daher leichter, die Dämpfung d₁ ohne negative Auswirkung auf die dynamische Verstärkung der zu verdichtenden Masse zu steigern.
• Flexibilität. Da die statische Kraft auf die Masse m_a mit Hilfe von k₃ eingestellt werden kann, ist es möglich, die Größe der dynamischen Kraft auf die Masse m_a einzustellen. In 6 kann der Luftdruck in den Federkörpern optimiert werden, um die Größe der Kraft festzulegen. Mit der Vibrationseinheit wird die Amplitude [mm] bzw. Frequenz-Verhältnis [Hz] der dynamischen Bewegung der Auflage und des Lots eingestellt. Wenn die Vorrichtung eher als Schwebungsüberlagerer arbeiten soll, wir die Frequenz mit der Vibrationseinheit reduziert, um die Amplitude [mm] der dynamischen Bewegung der Auflage und des Lots zu steigern. Wenn die Vorrichtung eher als „Vibrationspresse" eingesetzt werden soll, wird die Frequenz mit der Vibrationseinheit gesteigert, so dass die Amplitude [mm] der dynamischen Bewegung reduziert wird. Eine derartige Einstellung reduziert auch die Lärmabgabe an die Umgebung, weil die Stöße reduziert werden, wenn die gleiche dynamische Größe der Kraft mit der Druckluft in den Federkörpern beibehalten wird. Das optimale Verhältnis hängt hier von der zu verdichtenden Masse und ihres Volumens ab, und ob sie mit oder ohne Vakuum vibriert wird.
• Wartung und Robustheit. Die oben genannte Flexibilität kann zur Reduzierung der Stöße führen. Dies reduziert die Abnutzung der Vorrichtung und damit den Geräuschpegel bedeutend.

Wenig dynamische Energie an die Umgebung
Die Schwingungsfrequenz wird wie mit der abgeänderten Vorrichtung auf die Frequenz eingestellt, bei der die dynamische Verstärkung auf die Anodenmasse am höchsten ist. Dies ist auch die Frequenz, bei der die Auflage und das Lot die Opposition der Phase erreichen. Da das Lot und die Auflage über die Feder k₃ miteinander verbunden sind, trägt das Lot dazu bei, die Auflage nach oben zu drücken, wenn die Auflage sich in Richtung Boden nach unten bewegt. Da die übertragene dynamische Kraft auf den Boden die Summe der Lot- und Auflagenkraft ist, wenn die Lotkraft in die Gegenrichtung der Auflagenkraft arbeitet, wird die dynamische Kraft, die auf die Basis übertragen wird, reduziert.
Dies führt dazu, dass die Vibrationsvorrichtung weniger dynamische Energie an die Umgebung abgibt. Mit anderen Worten wird die dynamische Energie in der Feder k₃ gespeichert, wenn sich die Auflage in der unteren Position und das Lot in der oberen Position befindet (die Feder k₃ zusammengedrückt ist). Die Feder gibt dann Energie an die Anodenmasse ab, wenn sie gedehnt wird (die Anodenmasse zusammengedrückt wird). Die dynamische Energie wir in höherem Maße innerhalb des Systems gespeichert und in geringerem Maße an die Umgebung abgegeben. Es ist hierbei wichtig, dass die Feder k₃ eine minimale Dämpfung aufweist, so dass die Energie, die in der Feder gespeichert wird, zum Zusammendrücken der Anodenmasse benutzt wird, und nicht in andere Formen von Energie umgewandelt wird, wie zum Beispiel Hitze usw.
Gesteigerte dynamische Verstärkung auf die Anodenmasse
Mit einer gesteigerten dynamischen Verstärkung auf die Anodenmasse besteht eine erhöhte Möglichkeit, dass höhere dynamische Kräfte und/oder eine geringere dynamische Einsatzkraft (exzentrische Kraft) auf die Anodenmasse wirken. So bekommt das Produkt eine höhere Dichte und Kapazität.
Stabilität:
Bei einer stabilen Vorrichtung gibt es keine zufälligen Bewegungen der Auflage und des Lots, die eine gleichmäßige Energieversorgung auf die zu verdichtende Masse m_a stören. Da die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens eine niedrige Resonanzfrequenz zusätzlich zu der gewählten Betriebsfrequenz aufweist, ist es wichtig, zu verhindern, dass die Vorrichtung bei diesen Frequenzen schwingt. Es ist ebenfalls wichtig, die Vorrichtung derart zu gestalten, dass die dynamische Verstärkung in diesen niedrigen Frequenzbereichen minimal ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist es möglich, mit Hilfe der Vibrationseinheit die Betriebsfrequenz der Vorrichtung zu steigern. Die Dämpfung d₁ kann daher gesteigert werden, um die Niederfrequenz-Bewegungen zu minimieren. Eine obere Abgrenzung dieser Dämpfung ist, wenn keine bedeutsame Verringerung der dynamischen Verstärkung auf die Masse m_a bei der Betriebsfrequenz der Vorrichtung erreicht wird.
Durch das Regulieren der statischen Druckkraft mit der Feder k₃ ist es möglich, die Dichte des zu verdichteten Produkts einzustellen. Die Verdichtungszeit kann mit Hilfe einer gesteigerten statischen Druckkraft reduziert werden. Dies bedeutet, dass die Kapazität der Vorrichtung gesteigert werden kann. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung kann die Druckkraft während des Verdichtungsvorgangs selbst eingestellt werden, sollte dies erforderlich sein. Zum Beispiel kann es wirksam sein, zu Beginn bei einer relativ hohen Druckkraft zu vibrieren, die darauf hin abnimmt, um diese gen Ende des Vibrationsvorgangs erneut zu steigern.
Die Vibrationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann Mittel umfassen, die es möglich machen, Elektroden derart zu vibrieren, dass diese die gleiche Dichte oder die gleichen Abmessungen aufweisen. Dies kann erreicht werden, indem die Vorrichtung mit einer Messvorrichtung versehen ist, die aufzeichnet, wie tief das Lot bei der Vibration nach unten fährt. Die Materialmenge, die vor der Vibration in die Gussform gegeben wird, wird vorbestimmt; damit wird es einfach, einen Wert anzugeben, der das Gewicht/die Menge anzeigt. Die Vibration kann beendet werden, wenn ein bestimmtes Niveau erreicht wurde, so dass die äußeren externen Abmessungen identisch sind.
Des Weiteren kann die Vibrationsvorrichtung eine Vorrichtung aufweisen, die ein Vakuum in dem Volumen erzeugt, das von den Giessformteilen (dem Lot, der Auflage und den Giessformwänden) begrenzt wird und die Masse m_a enthält, so dass jegliches Gas aus den Gussformen entfernt werden kann (Vakuumvibration). Dies führt zu einer gesteigerten Dichte, einem verminderten Bruchrisiko und zu einer Vibration bei höheren Temperaturen usw. 6 zeigt, wie dies umgesetzt werden kann. Ein Teil des Lots befindet sich in der Vakuumkammer Vr, die von den Giessformwänden Fv1, Fv2 und einem Vakuumdeckel Vk gebildet wird. Der Vakuumdeckel kann über eine Leitung mit der Vorrichtung verbunden sein, die ein Vakuum in dem Vakuumdeckel erzeugt, wie zum Beispiel ein Ventilator oder ähnliches (nicht dargestellt). Die übrige Lotmasse (die Gabel A und die Vibrationseinheit Ve) befindet sich außerhalb, ist aber durchgehend mit den Bolzen 81 und 82 and dem Lotteil Ld verbunden, das sich in der Vakuumkammer Vr befindet. Dies führt zu einer kleinstmöglichen Vakuumkammer und die Ablasszeit der Gase kann minimiert werden. Die Bolzen müssen den kleinstmöglichen Gesamtquerschnitt aufweisen, so dass das Vakuum den geringstmöglichen „Saugeffekt" auf die Gabel hat. Gleichzeitig müssen die Bolzen eine ausreichende Größe aufweisen und so angeordnet sein, dass die Verbindung robust ist und das Drehmoment der Gabel sich in akzeptablen Grenzen befindet.
Die Masse m_a wird während der Vibration verdichtet, die Gabel A erreicht den Vakuumdeckel. Daher muss ein Mindestabstand von dem Lotteil innerhalb der Vakuumkammer und der Gabel bestehen. Der Abstand kann reduziert werden, wenn der Vakuumdeckel ebenfalls ausziehbare Eigenschaften aufweist. Die Gesamthöhe der Vibrationsvorrichtung kann jedoch reduziert werden, indem die Vibrationseinheit in die Gabel integriert wird.

Claims

Verfahren zum Verdichten eines Materials, insbesondere die Vibration von „grüner Masse" bzw. „grüner Mischung" in einem Gussverfahren zum Erzeugen von Gusskörpern zur Herstellung von Elektroden für die Schmelzindustrie, insbesondere für die Aluminium-Elektrolyseindustrie, umfassend eine Vorrichtung mit zwei Giessformteilen bzw. Gussformteilen, wobei auf mindestens eines davon während des Verdichtungsverfahrens eine Vibration angewandt wird, wobei die Giessformteile während der Vibration mit Hilfe einer statischen Druckkraft, die aus mindestens einer Feder bestehen kann, miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Giessformteile direkt durch die Feder (–s)(k₃) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die statische Druckkraft während des Vibrationsverfahrens unabhängig von der Position der Giessformteile reguliert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (k₃) eine minimale Dämpfung aufweist und eine zunehmende Federkraft zeigt, so dass die statische Kraft zwischen den Giessformteilen konstant bleibt, ungeachtet der Position des einen Giessformteils in Bezug auf das andere Giessformteil während der Verdichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibration hauptsächlich in der senkrechten Richtung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Giessformteile eine untere Auflage, ausgestattet mit Form- bzw. Giessformwänden, und ein oberes Lot aufweisen, wobei das Lot derart gestaltet ist, dass es sich auf Grund der Zwischenmasse, die verdichtet wird, abwärts in Richtung Auflage bewegt, und die Auflage von einer Basis gestützt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage mit Hilfe von mindestens einer Feder (k₁) und möglicherweise einem Dämpfelement (d₁) an der Basis gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften der Feder (k₁) und des Dämpfelements (d₁) ebenfalls ausgewählt werden, so dass praktisch die gesamte mechanische Energie, die durch die angewandte Vibration verfügbar wird, von der Basis getrennt ist und dem zu verdichtenden Material zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibration hauptsächlich in der waagerechten Richtung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens eines der Giessformteile eine Vibration mit einer Frequenz angewandt wird, so dass die Giessformteile zu einer maximalen Verstärkung der dynamischen Kraft gegen die zu verdichtende Masse (m_a) beitragen, wobei die Giessformteile zum Beispiel in der Gegenrichtung bzw. Opposition der eigentlichen Phase schwingen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verdichtende Masse (m_a) einem Vakuum ausgesetzt ist.
Vorrichtung zum Verdichten eines Materials, insbesondere die Vibration von „grüner Masse" in einem Gussverfahren zum Erzeugen von Gusskörpern zur Herstellung von Elektroden für die Schmelzindustrie, insbesondere für die Aluminium-Elektrolyseindustrie, umfassend eine Vorrichtung mit zwei Giessformteilen, wobei auf mindestens eines davon eine Vibration angewandt wird, wobei die Giessformteile mit Hilfe von einer statischen Druckkraft, die aus mindestens einer Feder bestehen kann, miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Giessformteile direkt durch die Feder (–s)(k₃) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (k₃) eine einstellbare statische Druckkraft aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (k₃) eine minimale Dämpfung aufweist und ferner eine zunehmende Federkraft zeigt, so dass die Druckkraft konstant bleibt, ungeachtet der Veränderungen in der Länge, die auf der Feder stattfinden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (k₃) aus einem oder mehreren elastischen, mit Gas gefüllten Federbälgen besteht, in dem/denen der Gasdruck eingestellt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Giessformteile in der senkrechten Richtung vibriert werden und ferner aus einer unteren Auflage bestehen, die mit Giessformwänden ausgestattet ist, und einem oberen Lot, wobei das Lot derart ausgebildet ist, dass es sich auf Grund der Zwischenmasse, die verdichtet wird, abwärts in Richtung Auflage bewegt, und die Auflage von einer Basis gestützt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (k₃) zwischen der Auflage und dem Lot über eine Struktur verbunden ist, die höhenverstellbar ist, und dass die Struktur sich von der Auflage nach oben hin erstreckt und ein Teil aufweist, das oberhalb des Lots angebracht werden kann, wobei die Struktur dauerhaft mit der Auflage verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage mit Hilfe von mindestens einer Feder (k₁) und möglicherweise einem Dämpfelement (d₁) an der Basis gehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Lot Vibration angewandt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (m_a) innerhalb einer Vakuumkammer (Vr), in der Vakuum bereitgestellt wird, verdichtet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (Vr) mit Hilfe von Giessformwänden (Fv1, Fv2), der Auflage und einem Vakuumdeckel (Vk) begrenzt ist.