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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Verdichten von körnigen Stoffen, insbesondere Giessereiformstoff, mittels einer exothermen Reaktion eines Gemisches aus Luft und Brennstoff in einem geschlossenen System, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Relativbewegung zwischen dem Gemisch und einem oder mehreren Initialimpulsen die exotherme Reaktion des Gemisches ausgelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung durch eine Bewegung des brennbaren Gemisches erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung durch eine Bewegung mindestens eines Initialimpulsauslösers erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Gemisches eine in sich geschlossene turbulente oder laminare Strömung ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das brennbare Gemisch mindestens teilweise mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1 ms 1, vorzugsweise mindestens 20 ms -1, bewegt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch im geschlossenen System gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Auslösung der exothermen Reaktion der Druck im geschlossenen System gleich demjenigen ausserhalb des Systems ist oder höchstens einen Uberdruck aufweist, wie er sich durch das Einbringen der notwendigen Brennstoffmenge in die unter Umgebungsdruck stehenden Luft im geschlossenen System ergibt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein fester Brennstoff verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Brennstoff verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein gasförmiger Brennstoff, vorzugsweise ein gesättigter Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch davon, verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der nach der Auslösung der Verbrennung erreichte Maximaldruck im geschlossenen System unter 8 bar liegt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des zu verdichtenden körnigen Stoffes vor Auslösung der exothermen Reaktion ganz oder teilweise gasundurchlässig abgedeckt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die exotherme Reaktion mittels katalytischer Wirkung beschleunigt wird.
14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einer den zu verdichtenden körnigen Stoff aufnehmenden Modellplatte (5), mit einem daran anliegenden Form- (11) und Füllrahmen (12) und mit einer damit in Verbindung stehenden haubenförmigen Brennkammer (23), die mindestens eine Einlassöffnung (21) und mindestens einen Initialimpulsauslöser (19) hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (20, 80) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem brennbaren Gemisch und dem bzw. den Initialimpulsauslösern (19) in der Brennkammer (23) vorhanden sind oder mit der Brennkammer in Verbindung stehen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die Relativbewegung mindestens ein Gebläse (20) für das Gemisch sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für die Relativbewegung ein oder mehrere bewegliche Initialimpulsauslöser (19) sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Gebläse (20) leistungsveränderlich ist bzw. sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Brennkammer (23) veränderbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, gekennzeichnet durch einen mit der Wandung (25) der Brennkammer (23) verbindbaren, nach unten offenen Behälter (54), dessen offene Seite unterhalb der Sandeinfüllhöhe (56) und dessen geschlossene, der offenen Seite gegenüberliegende Seite (55) oberhalb der Sandeinfüllhöhe (56) liegt.
20. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, zur Steuerung der Verdichtung beziehungsweise Formfestigkeit von Giessereiformstoffen.
21. Anwendung nach Anspruch 20, zur lokalen Verdichtungs- beziehungsweise Formfestigkeitssteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass Formoberflächen mit stellenweise geringeren Verdichtungs- beziehungsweise Formfestigkeitserfordernissen an diesen Stellen durch den unten offenen Behälter (54) abgedeckt werden.
22. Anwendung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, zur Verdichtungssteuerung der Formrückseite, dadurch gekennzeichnet, dass eine gasundurchlässige Abdeckung auf die Oberfläche des zu verdichtenden Stoffes gelegt wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verdichten von körnigen Stoffen, insbesondere Giessereiformstoff, mittels einer exothermen Reaktion eines Gemisches aus Luft und Brennstoff in einem geschlossenen System, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des 14. Anspruches und der Anwendung des Verfahrens zur Steuerung der Verdichtung beziehungsweise der Formfestigkeit von Giessereiformstoffen.
Die bisher in der Giessereiindustrie vorgeschlagenen Explosionsverdichtungsverfahren zur Herstellung von Formen und Kernen (US-PS 3 170 202) kamen über das Versuchsstadium nicht hinaus.
Nachteilig wirkten sich insbesondere folgende Faktoren aus: Sicherheitsrisiko der Lagerung und Handhabung von Ex plosivstoffen im Giessereibereich.
Fehlende Reproduzierbarkeit der erzielten Ergebnisse.
- Die erforderlichen Verbrennungsdrücke konnten nur durch Vorkomprimierung des brennbaren Gemisches in der Brennkammer erreicht werden, was einen zusätzlichen
Aufwand und Dichtprobleme hervorrief.
- Ohne Verwendung von zusätzlichem Sauerstoff konnten die für Giessereizwecke erforderlichen Festigkeitswerte nicht erreicht werden.
- Die Verwendung von zusätzlichem Sauerstoff verteuerte
das Verfahren in unzulässigem Masse und erhöhte das Si cherheitsrisiko.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, welches die erwähnten Nachteile nicht aufweist und die wirtschaftliche und ungefährliche Herstellung von Formen mit einer wählbaren, hohen, reproduzierbaren Festigkeit erlaubt ohne Verwendung von zusätzlichem Sauerstoff und ohne vorgängige, wesentliche Vorkomprimierung.
Diese Aufgabe ist durch die in den Ansprüchen 1, 14 und 20 angegebene Lehre gelöst. Weitere Merkmale und besondere Ausführungsformen dieser Lehre sind in den davon abhängigen Ansprüchen angegeben.
Durch diese Merkmale wird ein gezielter reproduzierbarer Verbrennungsvorgang erreicht. Gleichzeitig kann damit auch eine Erhöhung der Intensität der exothermen Reaktion erreicht werden.
Von Bedeutung ist insbesondere die Erhöhung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Verbrennungsvorgangs durch die erzwungene Bewegung des brennbaren Gemisches.
Erst diese Massnahme ermöglicht es, ohne Verwendung von zusätzlichem Sauerstoff die Fortpflanzungsgeschwindigkeit so anzuheben, dass die erforderlichen Festigkeiten erzielt werden.
Vorzugsweise wird das brennbare Gemisch durch ein leistungsveränderliches Gebläse, welches entweder im Verbrennungsraum selbst oder mit dem Verbrennungsraum in Verbindung steht, in eine in sich geschlossene, in ihrer Geschwindigkeit veränderbare Strömung gebracht. Doch ist auch eine andere Erzeugung der Bewegung möglich, z. B. mit Mischventilen oder ähnlichem. Durch die Bewegung der Initialimpulsauslöser kann ebenfalls ein gezielter Verbrennungsvorgang erreicht werden.
Die Leistungsveränderlichkeit des Gebläses ermöglicht über die veränderliche Strömung des brennbaren Gemisches eine gewünschte Festigkeit der Form zu erzielen, je nach den besonderen Umständen. Die Korrelation zwischen Bewegungsintensität und Formfestigkeit ist dabei eine positive.
Typische Geschwindigkeiten für das brennbare Gemisch liegen im Bereich von 20-50 ms- 1.
Der Brennstoff wird vorzugsweise in die unter Umgebungsdruck stehende Luft in der Brennkammer eingebracht.
Bei Verwendung einer stöchiometrischen Menge z.B. von Erdgas steigt dabei der Druck in der Brennkammer um ca.
0,1 bar. Bei einem derart geringen Überdruck ergeben sich keine wesentlichen Abdichtungsprobleme und damit auch keine Gasverluste und Sicherheitsprobleme.
Das stöchiometrische Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff muss jedoch nicht eingehalten werden, wesentlich ist nur, dass das resultierende Gemisch brennbar bleibt.
Als Brennstoffe kommen sowohl feste, als flüssige und gasförmige Stoffe in Frage. Als besonders geeignet haben sich die folgenden erwiesen: Erdgas, Methan, Propan, Butan, Azetylen, Benzin, Dieselöl. Auch pyrofore Staube wie Kohlenstaub, Sägemehl usw. könnten geeignet sein.
Ein weiterer Vorteil einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin begründet, dass der nach der Auslösung der Verbrennung erreichte Maximaldruck im geschlossenen System unter 8 bar liegt, was die Konstruktion der Verdichtungsvorrichtung erheblich vereinfacht und die Belastung der Vorrichtung erheblich herabsetzt.
Bei allen Explosionsverdichtungsverfahren wird die Formrückseite der verdichteten Form spröde und bröcklig und die Verbrennungswärme trocknet eine 5-10 mm dicke Sandschicht aus. Eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens erlaubt es, diesen Nachteil zu eliminieren. Sie besteht darin, die Oberfläche des zu verdichtenden körnigen Stoffes vor Auslösung der Explosion mit einer gasundurchlässigen Abdeckung zu versehen. Wird die Abdekkung durch einen unten offenen Behälter, dessen Seitenwände in den Sand eintauchen, nur stellenweise angebracht, so kann damit gleichzeitig die Formfestigkeit an der Formoberseite lokal gesteuert werden.
Eine weitere Möglichkeit, die Formfestigkeit an der Formoberseite zu steuern, liegt neben der bereits erwähnten Leistungsveränderlichkeit des Gebläses in der Veränderung des Volumens des Brennraumes, wiederum mit positiver Korrelation.
Das erfindungsgemässe Verfahren findet nicht nur Anwendung in der Giessereiindustrie zur Herstellung von Giessformen und -kernen, sondern kann auch in der Bauindustrie zur Verdichtung von Baustoffen dienen.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von in der Zeichnung dargestellten, sich auf Formsandverdichtung beziehenden, aber nicht limitierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Formanlage mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform;
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform;
Fig. 4 eine vierte Ausführungsform, und
Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt eine Formanlage, wobei eine Modellplatte 5 mit Modell 6 nach der anderen in die Füll- und Formstation kommt. Hier wird die Platte 5 mittels eines hydraulischen Hebekolbens 7 über einen Formrahmen 11 und einen Füllrahmen 12, die mittels Rollen 13 bewegbar sind, gegen einen eine dosierte Formsandmenge enthaltenden Sandbehälter 17 angehoben. Nachdem der Sand in den Form- und Füllrahmen eingeschüttet worden ist, wird der Behälter 17 horizontal verschoben bzw. verschwenkt und eine Haube 18 kommt an die Stelle des Behälters 17. Die Haube 18, die etwa die Brennkammer 23 bildet und die aus einer oberen Abdeckplatte 24 und einer Seitenwandung 25 besteht, weist einen Initialimpulsauslöser, z.B. einen Zünder 19, ein von einem Elektromotor 22 getriebenes Gebläse 20 mit Leitring 20a und eine Einlassöffnung 21 für einen Brennstoff auf.
Durch eine Leitung 27 wird eine die Zündfähigkeit garantierende Menge Brennstoff in die mit Luft unter atmosphärischem Druck gefüllte Brennkammer 23 geleitet, wobei der Druck minimal ansteigt (bei Erdgas im stöchiometrischen Verhältnis z.B. steigt der Druck um ca. 0,1 bar an). Das Gebläse 20 mischt Luft und Brennstoff zu einem explosiblen Gemisch.
Um die Bewegung des explosiblen Gemisches steuern zu können, ist das Gebläse 20 mit Vorteil durch Schaufelverstellung oder Drehzahländerung leistungsveränderlich. Der Zünder 19 zündet das Gemisch bei laufendem Gebläse 20, z. B. durch einen elektrischen Funken, und der Formsand wird verdichtet. Der maximale Druckanstieg liegt bei ca.
8 bar.
Der Druckabfall hängt u. a. ab von der Temperatur der Wandung, die bei Dauerbetrieb (automatische Anlage) mit Kühlkanälen 70 ausgestattet werden kann (siehe Fig. 2). Des weiteren entweicht das verbrannte Gas z. B. durch angeordnete Entlüftungen und bzw. oder zwischen die Teile 5, 11, 12 und 25 hindurch. Der Überdruck reduziert sich auf Null beim Absenken des Kolbens 7. Der Behälter 17 kommt nunmehr in die Füllstellung oberhalb des Füllrahmens 12 und gleichzeitig kommt die Haube 18 in die gestrichelt gezeichnete Position 28, in der eine Absaugung 29 die Abgase abführt. Vorteilhafterweise kann das Gebläse 20 ständig in Betrieb bleiben, um drei Funktionen zu erfüllen: Mischen der Verbrennungskomponenten, Erhöhung der Ausbreitungsge schwindigkeit der Verbrennungsfront während der Verbrennung und Austreiben der Abgase.
Je kleiner der Verbrennungsraum, desto weniger Brennstoff bzw. Brenngas wird verbraucht und desto billiger kann die Vorrichtung hergestellt werden.
Fig. 2 zeigt eine Haube 18, die in einem Rahmen 33, der auf den Füllrahmen 12 passt, gleiten kann und die in bestimmten Lagen fixiert werden kann z. B. mittels Steckbolzen 34, welche durch Öffnungen 35 im Rahmen 33 hindurchgehen und in die Seitenwandung 25 eingreifen. An der Aussenseite der Wandung 25 sind mit Vorteil Dichtungen 36 vorgesehen. Diese Ausführung erlaubt es, das optimale Verhältnis VerbrennungsraumlSandeinfüllvolumen bei verschieden grossen Modellen jeweils einzustellen. Die Verstellung der Haube 18 kann auch mit anderen Mitteln - auf hydraulisch oder pneumatische Art oder elektrisch mit Hilfe eines Stellmotors - bewerkstelligt werden.
Fig. 3 zeigt zwei verschiedene, jedoch miteinander verbindbare Sachlagen. Erstens wird die bevorzugte Anordnung des Gebläses 20 gezeigt. Demgemäss liegt sein Saugstutzen 51 etwa mittig über dem Sand bzw. der Modellplatte 5, so dass die Strömung, der die Druckwelle folgt, gegen die Seitenwandung nach unten verläuft. Dadurch kann. der Widerstand Sand/Wandung, wenigstens teilweise, kompensiert werden mit dem Zweck, noch gleichmässigere Härtewerte in der Trennebene zu erhalten.
Zweitens wird eine andere Möglichkeit gezeigt, die Formfestigkeit über die Trennebene zu beeinflussen. Hierzu ist ein nach unten offener Behälter 54¯mittels Stangen 52 los- bar mit der Wandung 25 der Haube 18 verbunden. Nach dem Füllvorgang taucht die aufstehende Wand 53 des Behälters 54 beim Aufeinanderdrücken der Haube 18 mit den Form- und Füllrahmen 11, 12 derart in den Sand, dass der Boden 55, die geschlossene Seite des Behälters 54, oberhalb der Sandeinfüllhöhe 56 liegt. Es hat sich überraschend gezeigt, dass sich dadurch die Formfestigkeit im mittleren Bereich der Trennebene verringert und in den Wandungsbereichen etwas vergrössert.
Bei grösseren Form- und Füllrahmen 11, 12 können in der Brennkammer 23 auch mehrere Gebläse 20 angeordnet werden, wobei auch andere eine Bewegung des Gemisches erzeugende Einrichtungen, wie z. B. Mischventile, eine Wellenbewegung des Gemisches erzeugende Geräte usw., verwendbar sind.
Es ist auch möglich, anstelle eines Gebläses 20 einen oder mehrere als Zünder 19 ausgebildete Initialimpulsauslöser inder Brennkammer 23 an einer rotierenden Welle 80 anzuordnen (siehe Fig. 2 rechte Seite), wobei Zündzeit und Rotationsgeschwindigkeit vorzugsweise einstellbar sind, wodurch ein gezielt ablaufender Verbrennungsvorgang erreicht wird.
Als weitere Variante ist die Anordnung von mehreren an der Haube 18 umfangs- und höhenmässig verteilt angeordneten Zündern 19 möglich, welche gleichzeitig oder in einem bestimmten Zeitablauf gezündet werden.
Mit Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher seitlich eines Formstoffbehälters 57 eine Brennkammer 23 angeordnet ist, die über eine Öffnunge 58 mit einem unteren Brennkammerteil 23a verbunden ist. In der Abdeckung der Brennkammer 23 ist ein Gebläse 20 eingesetzt, das von einem Motor 22 angetrieben ist. In einer Seitenwandung der Brennkammer 23 befindet sich die Zuleitung 27 für einen Brennstoff und der oder die Zünder 19.
Die Symmetrieachse des unteren Brennkammerteiles 23a ist gleich derjenigen des Formstoffbehälters 57, welcher mit der Auslassöffnung 59 in die Füllöffnung 60 des Brennkammerteiles 23a eintauchbar vorgesehen ist. Als Abschluss der Füllöffnung 60 ist ein Schieber 61 vorgesehen, der von einem Schubkolbenantrieb 62 quer zur Füllöffnung 60 bewegbar ist. Mit gleicher Symmetrieachse zum Formstoffbehälter 67 bzw. Brennkammerteil 23a sind der Füllrahmen 12 und der Formrahmen 11 angeordnet, die hierbei auf Rollen 13 absenkbar sind. Auf der Platte des Hebekolbens 7 sind wie vorgängig auch beschrieben die Modellplatte 5 mit Modell 6 aufgesetzt.
Für den Füllvorgang mit Formstoffwird der Schieber 61 in die Öffnungsstellung verschoben und damit die Füllöffnung 60 freigegeben. Anschliessend erfolgt durch Betätigen des Hebekolbens 7 ein Anheben des Füllrahmens 12 bis zur Anlage an den Brennkammerteil 23a. Nunmehr wird der Verschluss des Formstoffbehälters 57 geöffnet und eine dosierte Menge Formstoff eingefüllt. Nachfolgend wird die Füllöffnung 60 mittels des Schiebers 61 verschlossen und der Hebekolben 7 auf Pressen angehoben. Bei diesem Vorgang wird der Brennkammerteil 23a gegen einen Rahmen 63 gedrückt und damit der Schieber 61 in seiner Lage dichtend mit dem Brennkammerteil 23a verbunden. Nunmehr kann der Verdichtungsvorgang wie bereits beschrieben erfolgen.
Mit Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, wobei auf einem Untersatz 64 ein Formrahmen 11, ein Füllrahmen 12 und eine mit diesen mittels Briden 65 dichtend verbundene Modellplatte 5 mit Modell 6 aufgesetzt sind. Den Formrahmen 11, den Füllrahmen 12 und die Modellplatte 5 überdeckend, ist eine Haube 66 über eine Dichtung 67 auf den Untersatz 64 abgesetzt und mittels Briden 68 mit diesem verbunden. In einem Teil der Wandung der Haube 66 sind einmal das Gebläse 20 mit Motor 22 eingesetzt, zum andern Teil die Brennstoffleitung 27 und der Zünder 19. Für das Anheben bzw. Absetzen der Haube 66 ist ein Tragring 69 vorgesehen.
Durch die Verwendung von einem oder mehreren Katalysatoren kann der Verbrennungsvorgang bei bestimmten Brennstoffen beschleunigt werden, wodurch gleichzeitig durch Wahl der Katalysatoren ein gezielter reproduzierbarer Verbrennungsvorgang erreichbar ist.
Diese Katalysatoren können aus Edelmetallen wie z. B.
Platin, Gold usw. bestehen und in der Brennkammer 23 angeordnet sein oder als Additive zusammen mit dem Brennstoff in die Brennkammer eingeführt werden.
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PATENT CLAIMS
1. A method for compacting granular materials, in particular foundry molding material, by means of an exothermic reaction of a mixture of air and fuel in a closed system, characterized in that the exothermic reaction of the mixture is triggered during a relative movement between the mixture and one or more initial pulses.
2. The method according to claim 1, characterized in that the relative movement is generated by a movement of the combustible mixture.
3. The method according to claim 1, characterized in that the relative movement is generated by a movement of at least one initial pulse trigger.
4. The method according to claim 2, characterized in that the movement of the mixture is a self-contained turbulent or laminar flow.
5. The method according to claim 2 or 4, characterized in that the combustible mixture is at least partially moved at a speed of at least 1 ms 1, preferably at least 20 ms -1.
6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the mixture is formed in the closed system.
7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that before the triggering of the exothermic reaction, the pressure in the closed system is equal to that outside the system or at most has an overpressure, as it is by introducing the necessary amount of fuel into the under Ambient pressure standing air in the closed system results.
8. The method according to any one of claims I to 7, characterized in that a solid fuel is used.
9. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a liquid fuel is used.
10. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a gaseous fuel, preferably a saturated hydrocarbon or a mixture thereof, is used.
11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the maximum pressure reached after the initiation of the combustion in the closed system is below 8 bar.
12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the surface of the granular material to be compacted is completely or partially covered in a gas-impermeable manner before the exothermic reaction is triggered.
13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the exothermic reaction is accelerated by means of catalytic action.
14. An apparatus for performing the method according to any one of claims 1 to 13, with a model plate (5) receiving the granular material to be compressed, with an adjoining mold frame (11) and filling frame (12) and with a hood-shaped connection therewith Combustion chamber (23) which has at least one inlet opening (21) and at least one initial pulse trigger (19), characterized in that the means (20, 80) for generating a relative movement between the combustible mixture and the initial pulse trigger (s) in the combustion chamber (23) are present or are connected to the combustion chamber.
15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the means for the relative movement are at least one blower (20) for the mixture.
16. The apparatus according to claim 14, characterized in that the means for the relative movement are one or more movable initial pulse triggers (19).
17. The apparatus according to claim 15, characterized in that the fan or fans (20) is or are variable in performance.
18. Device according to one of claims 14 to 17, characterized in that the volume of the combustion chamber (23) is variable.
19. Device according to one of claims 14 to 18, characterized by a with the wall (25) of the combustion chamber (23) connectable, downwardly open container (54), the open side below the sand filling height (56) and the closed, the open Side opposite side (55) is above the sand filling height (56).
20. Application of the method according to one of claims 1 to 13, for controlling the compression or dimensional stability of foundry molding materials.
21. Application according to claim 20, for local compaction or form strength control, characterized in that mold surfaces with locally lower compaction or form strength requirements are covered at these points by the container (54) which is open at the bottom.
22. Use according to one of claims 20 or 21, for compression control of the back of the mold, characterized in that a gas-impermeable cover is placed on the surface of the material to be compressed.
The present invention relates to a method for compacting granular materials, in particular foundry molding material, by means of an exothermic reaction of a mixture of air and fuel in a closed system, an apparatus for carrying out the method according to the preamble of claim 14 and the application of the method to control the compression or the dimensional stability of foundry molding materials.
The explosion compression processes previously proposed in the foundry industry for the production of molds and cores (US Pat. No. 3,170,202) did not go beyond the experimental stage.
The following factors had a particularly negative effect: Safety risk of the storage and handling of explosives in the foundry area.
Lack of reproducibility of the results achieved.
- The required combustion pressures could only be achieved by pre-compressing the combustible mixture in the combustion chamber, which is an additional
Effort and sealing problems.
- Without the use of additional oxygen, the strength values required for foundry purposes could not be achieved.
- The use of additional oxygen more expensive
the procedure to an unacceptable extent and increased the security risk.
The object of the present invention is to propose a method which does not have the disadvantages mentioned and which allows the economical and harmless production of molds with a selectable, high, reproducible strength without the use of additional oxygen and without prior, essential pre-compression.
This object is achieved by the teaching specified in claims 1, 14 and 20. Further features and special embodiments of this teaching are specified in the claims dependent thereon.
A targeted, reproducible combustion process is achieved through these features. At the same time, the intensity of the exothermic reaction can also be increased.
Of particular importance is the increase in the rate of propagation of the combustion process due to the forced movement of the combustible mixture.
Only this measure makes it possible to increase the rate of reproduction without the use of additional oxygen in such a way that the required strengths are achieved.
The combustible mixture is preferably brought into a self-contained, variable-speed flow by a variable-capacity fan, which is connected either in the combustion chamber itself or with the combustion chamber. However, another generation of the movement is also possible, e.g. B. with mixing valves or the like. A targeted combustion process can also be achieved by moving the initial pulse triggers.
The variable performance of the blower enables the shape of the combustible mixture to vary in strength, depending on the particular circumstances. The correlation between movement intensity and form stability is a positive one.
Typical speeds for the combustible mixture are in the range of 20-50 ms-1.
The fuel is preferably introduced into the air in the combustion chamber, which is at ambient pressure.
When using a stoichiometric amount e.g. natural gas, the pressure in the combustion chamber increases by approx.
0.1 bar. With such a low overpressure there are no significant sealing problems and therefore no gas losses and safety problems.
However, the stoichiometric ratio between air and fuel does not have to be observed; the only important thing is that the resulting mixture remains combustible.
Both solid, liquid and gaseous substances can be considered as fuels. The following have proven to be particularly suitable: natural gas, methane, propane, butane, acetylene, gasoline, diesel oil. Pyrofore dust such as coal dust, sawdust, etc. could also be suitable.
Another advantage of an embodiment of the method according to the invention is that the maximum pressure reached after the combustion is triggered in the closed system is below 8 bar, which considerably simplifies the construction of the compression device and considerably reduces the load on the device.
In all explosion compression processes, the back of the mold becomes brittle and crumbly and the heat of combustion dries out a layer of sand 5-10 mm thick. An embodiment of the method according to the invention makes it possible to eliminate this disadvantage. It consists in providing the surface of the granular material to be compressed with a gas-impermeable cover before the explosion is triggered. If the cover is only applied in places by a container that is open at the bottom and whose side walls are immersed in the sand, the shape stability on the top of the mold can be controlled locally at the same time.
Another possibility for controlling the dimensional stability on the upper side of the mold, in addition to the already mentioned variable performance of the fan, is the change in the volume of the combustion chamber, again with a positive correlation.
The method according to the invention is not only used in the foundry industry for the production of casting molds and cores, but can also be used in the construction industry for the compression of building materials.
The invention will now be explained in greater detail on the basis of exemplary embodiments shown in the drawing and relating to molding sand compaction but not limited. Show it:
1 shows a molding system with a first embodiment of a device according to the invention;
Fig. 2 shows a second embodiment;
3 shows a third embodiment;
Fig. 4 shows a fourth embodiment, and
Fig. 5 shows a fifth embodiment.
Fig. 1 shows a molding system, wherein a model plate 5 with model 6 comes after the other in the filling and molding station. Here, the plate 5 is raised by means of a hydraulic lifting piston 7 via a molding frame 11 and a filling frame 12, which can be moved by means of rollers 13, against a sand container 17 containing a metered amount of molding sand. After the sand has been poured into the molding and filling frame, the container 17 is moved or pivoted horizontally and a hood 18 takes the place of the container 17. The hood 18, which roughly forms the combustion chamber 23 and which consists of an upper cover plate 24 and a side wall 25, has an initial pulse trigger, for example an igniter 19, a blower 20 driven by an electric motor 22 with guide ring 20a and an inlet opening 21 for a fuel.
A line 27 leads a quantity of fuel which guarantees the ignitability into the combustion chamber 23 filled with air at atmospheric pressure, the pressure rising minimally (for example, in the case of natural gas in a stoichiometric ratio, the pressure increases by approximately 0.1 bar). The blower 20 mixes air and fuel into an explosive mixture.
In order to be able to control the movement of the explosive mixture, the blower 20 is advantageously variable in performance by adjusting the blade or changing the speed. The igniter 19 ignites the mixture with the fan 20 running, e.g. B. by an electrical spark, and the molding sand is compressed. The maximum pressure increase is approx.
8 bar.
The pressure drop depends u. a. from the temperature of the wall, which can be equipped with cooling channels 70 during continuous operation (automatic system) (see FIG. 2). Furthermore, the burned gas escapes z. B. through arranged vents and / or between parts 5, 11, 12 and 25 therethrough. The overpressure is reduced to zero when the piston 7 is lowered. The container 17 now comes into the filling position above the filling frame 12 and at the same time the hood 18 comes into the position 28 shown in broken lines, in which a suction device 29 removes the exhaust gases. Advantageously, the blower 20 can remain in operation to perform three functions: mixing the combustion components, increasing the rate of expansion of the combustion front during combustion and expelling the exhaust gases.
The smaller the combustion chamber, the less fuel or fuel gas is used and the cheaper the device can be manufactured.
Fig. 2 shows a hood 18 which can slide in a frame 33 which fits on the filling frame 12 and which can be fixed in certain positions, for. B. by means of plug pins 34 which pass through openings 35 in the frame 33 and engage in the side wall 25. Seals 36 are advantageously provided on the outside of the wall 25. This version allows the optimum ratio of combustion chamber to sand filling volume to be set for models of different sizes. The hood 18 can also be adjusted by other means - in a hydraulic or pneumatic manner or electrically with the aid of a servomotor.
Fig. 3 shows two different, but interconnectable situations. First, the preferred arrangement of the blower 20 is shown. Accordingly, its suction port 51 is located approximately in the middle above the sand or the model plate 5, so that the flow, which follows the pressure wave, runs downwards against the side wall. This can. the sand / wall resistance, at least partially, are compensated with the purpose of obtaining even more uniform hardness values in the parting plane.
Secondly, another possibility is shown to influence the form strength over the parting plane. For this purpose, a container 54 which is open at the bottom is detachably connected to the wall 25 of the hood 18 by means of rods 52. After the filling process, the upstanding wall 53 of the container 54 is immersed in the sand when the hood 18 with the molding and filling frames 11, 12 is pressed together in such a way that the bottom 55, the closed side of the container 54, lies above the sand filling height 56. It has surprisingly been found that this reduces the dimensional stability in the central region of the parting plane and increases it somewhat in the wall regions.
In the case of larger molding and filling frames 11, 12, a plurality of blowers 20 can also be arranged in the combustion chamber 23, with other devices which generate a movement of the mixture, such as, for example, B. mixing valves, a wave movement of the mixture generating devices, etc., can be used.
Instead of a blower 20, it is also possible to arrange one or more initial pulse triggers designed as igniters 19 in the combustion chamber 23 on a rotating shaft 80 (see FIG. 2, right side), the ignition time and rotational speed preferably being adjustable, as a result of which a targeted combustion process is achieved .
As a further variant, it is possible to arrange a plurality of detonators 19, which are distributed circumferentially and vertically on the hood 18 and are ignited simultaneously or in a certain time.
4 shows an embodiment in which a combustion chamber 23 is arranged on the side of a molding material container 57 and is connected via an opening 58 to a lower combustion chamber part 23a. A fan 20, which is driven by a motor 22, is inserted in the cover of the combustion chamber 23. The feed line 27 for a fuel and the igniter (s) 19 are located in a side wall of the combustion chamber 23.
The axis of symmetry of the lower combustion chamber part 23a is equal to that of the molding material container 57, which is provided with the outlet opening 59 so that it can be immersed in the filling opening 60 of the combustion chamber part 23a. At the end of the filling opening 60, a slide 61 is provided which can be moved transversely to the filling opening 60 by a push piston drive 62. The filling frame 12 and the molding frame 11 are arranged with the same axis of symmetry with the molding material container 67 or the combustion chamber part 23a, which can be lowered on rollers 13. As previously described, the model plate 5 with model 6 are placed on the plate of the lifting piston 7.
For the filling process with molding material, the slide 61 is shifted into the open position and thus the filling opening 60 is opened. Subsequently, by actuating the lifting piston 7, the filling frame 12 is raised until it contacts the combustion chamber part 23a. Now the closure of the molding material container 57 is opened and a metered amount of molding material is poured in. The filling opening 60 is then closed by means of the slide 61 and the lifting piston 7 is raised on presses. During this process, the combustion chamber part 23a is pressed against a frame 63 and thus the slide 61 is connected in its position to the combustion chamber part 23a in a sealing manner. The compression process can now be carried out as already described.
5 shows a further embodiment, a molding frame 11, a filling frame 12 and a model plate 5 with model 6 sealingly connected thereto by means of clips 65 being placed on a base 64. Covering the molding frame 11, the filling frame 12 and the model plate 5, a hood 66 is placed on the base 64 via a seal 67 and connected to it by means of clips 68. In one part of the wall of the hood 66, the blower 20 with the motor 22 is inserted, on the other hand the fuel line 27 and the igniter 19. A support ring 69 is provided for lifting or lowering the hood 66.
By using one or more catalysts, the combustion process for certain fuels can be accelerated, which means that a targeted, reproducible combustion process can be achieved by selecting the catalysts.
These catalysts can be made of precious metals such as. B.
Platinum, gold, etc. exist and can be arranged in the combustion chamber 23 or introduced into the combustion chamber as additives together with the fuel.