DE19524176C1 - Verfahren zum Zwischenabschrecken von aus einem Lösungs-Glühofen kommenden Leichtmetall-Gußstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Wärmebehandeln von Leichtmetall-Gußstücken nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es in der industriellen Praxis gang und gebe ist. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auf die EP 546 210 A1 verwiesen werden, die ein kombiniertes Verfahren zum pyrolytischen Zerstö­ ren der Kerne, zur Kernsandregeneration und zum Glühen der Guß­ stücke in einem gemeinsamen, einheitlichen Behandlungsschritt in einem Ofen mit anschließendem Abschrecken der Gußstücke in einem Wasserbad beschreibt.

Üblicherweise werden Leichtmetall-Gußwerkstücke heute nach dem Gießen lösungsgeglüht und anschließend im Wasserbad abge­ schreckt, indem die Gußstücke in das Wasserbad eingetaucht wer­ den. Aufgrund laufender Zugabe von Frischwasser als Ausgleich der Verdampfungsverluste wird das Abschreckbad auf etwa 30 bis 70°C gehalten. Wegen des teilweise, insbesondere im Kernbereich an den Gußstücken noch anhaftenden Sandes dringt das Wasser nicht zu allen Oberflächenpartien gleichmäßig vor, so daß der Abschreckeffekt örtlich recht unterschiedlich ausfällt und demgemäß mit entsprechenden Verzügen der Gußteile zu rechnen ist. Eine weitere Ungleichmäßigkeit der Abschreckwirkung kommt auch durch die örtlich recht unterschiedlichen Umströmungsver­ hältnisse zustande. In gut umströmbaren Bereichen wird die ent­ stehende Dampfschicht immer wieder durch neu zutretendes Wasser erneuert, wogegen in Bereichen mit quasi stagnierendem Wasser sich eine mehr oder weniger stabile Dampfsperre zwischen Werk­ stückoberfläche und Wasserbad ausbilden kann, die einen zügigen Wärmeabfluß vom Werkstück ins Wasserbad verhindert. Zur Erhöhung der Abschreckwirkung wird für eine Begrenzung der Wassererwär­ mung gesorgt; die Badtemperatur wird - meist durch Frisch­ wasserzugabe - bei etwa 30 bis 70°C stabilisiert. Außerdem wer­ den die Gußstücke aufgrund einer ausreichend langen Aufenthalts­ zeit im Abschreckbad bis etwa auf Badtemperatur, also bis etwa 30 bis 70°C abgeschreckt, um sicher zu stellen, daß auch an den ungünstigen Stellen eine ausreichende Abschreckung erzielt wur­ de. Die Gußstücke müssen also nach dem Abschrecken für das an­ schließende Auslagern in energie-intensiver Weise wieder auf Auslagerungstemperatur aufgeheizt werden. Beim Abschrecken der Werkstücke im Wasserbad verbleiben im übrigen zum großen Teil zumindest in den Höhlungen der Werkstück Sandreste zurück; der­ artige nasse Sandnester müssen nach dem Wasserbad-Abschrecken zunächst gesondert und in aufwendiger und energie-intensiver Weise getrocknet werden, bevor der Sand durch Rütteln und/oder Blasen entfernt werden kann und bevor die Gußstücke in den Aus­ lagerungsofen eingegeben werden können. Soweit beim Abschrecken der Werkstücke im Wasserbad Sand von den Gußstücken herausfällt, sammelt sich dieser gemeinsam mit sonstigen Badverunreinigungen als Schlamm, der aufgrund der Verunreinigungen nicht wiederver­ wendet werden kann und der außerdem wegen der Nässe so nicht in die Kernsandregeneration eingeschleust werden darf, sondern zu­ vor getrocknet werden müßte. Es bleibt nur ein kostspieliges Entsorgen des verunreinigten Sandschlammes und ein kostenverur­ sachender Neu-Ersatz des entsorgten Sandes übrig.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundegelegte Wärmebehandlungsverfahren der Leichtmetall-Gußstücke im Hinblick auf das Ergebnis der Wärmebehandlung und auf die Betriebskosten zu optimieren.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Wärme­ behandlungsverfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dank der Abschreckung mittels eines Luft/Wasser-Gemisches wird einerseits eine ausreichend ra­ sche Abschreckung der Gußstücke, andererseits aber eine sehr gleichmäßige und verzugsarme Abkühlung erzielt. Aufgrund der gut beherrschbaren und gleichmäßig voranschreitenden Abschreckung kann über die Abschreckzeit auch die Abschrecktemperatur be­ stimmt werden; es braucht nicht unnötig tief abgeschreckt zu werden, vielmehr kann ein beträchtlicher Anteil an Restwärme ausgenützt und somit Energie und Aufheizzeit eingespart werden. Außerdem wird der anhaftende Sand nicht genäßt und kann in rie­ selfähiger und sauberer Form aufgefangen und nach einer Regene­ ration wiederverwendet werden, so daß dadurch der Sandverbrauch reduziert werden kann. Auch ein umständliches und kostspieliges Trocknen der Gußstücke vor dem Auslagerungsglühen ist entbehr­ lich. Da die Verdampfungswärme des Wassers zum Abschrecken aus­ genützt und der entstehende Dampf aufgefangen und rekondensiert werden kann, wird nur sehr wenig Wasser verbraucht.

Zwar ist es bekannt, Leichtmetall-Gußstücke mittels eines Luft/ Wasser-Gemisches zu kühlen oder abzuschrecken. Die japanische Patentanmeldung JP 60-170567 A beispielsweise zeigt ein Verfah­ ren bzw. eine Anordnung zum Abkühlen von frisch gegossenen, teilweise noch in der Gießkokille befindlichen Leichtmetallfel­ gen, bei dem der Naben- und Radscheibenbereich aus der Gießwärme heraus mit einem Wassernebel, der aus einer gezielt angeordneten Düse zugeführt wird, vorsichtig abgekühlt wird. Nach dem Vor­ schlag der DE 15 58 798 B2 sollen Leichtmetall-Werkstücke aus einer Temperatur oberhalb von 371°C mit einer Abkühlungsge­ schwindigkeit von mehr als 83°C/s dadurch abgekühlt werden, daß die Werkstücke mit feinen Wasserstrahlen bei einem Druck von 10 bis 42 bar und hoher Geschwindigkeit bedüst werden. Der Effekt dieser Bedüsungsart soll darin bestehen, daß der Wasserstrahl in viele kleinste Tröpfchen aufgelöst wird, die die Dampfgrenz­ schicht durchschlagen und eine höhere Abkühlungsgeschwindigkeit als bei einer Tauchkühlung erbringen sollen. Trotz dieses Stan­ des der Technik ist der Einsatz eines Luft/Wasser-Gemisches im Zusammenhang mit der Wärmebehandlung von Leichtmetall-Gußstücken insbesondere zur kosten- und funktionsmäßigen Optimierung des Wärmebehandlungsverfahrens neu und in der Anhäufung von Vortei­ len für den Fachmann überraschend.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens liegen in Folgendem:

• - Die Gußwerkstücke können nach einem Lösungsglühen vorsichti­ ger und vor allem gleichmäßiger im Vergleich zum Abschrecken im Wasserbad abgeschreckt werden, wodurch einerseits eine gute Werkstückhärte, aber andererseits eine Reduzierung der ab­ schreckbedingten Verzüge des Gußstückes erzielt wird.
• - Dank der sicheren Beherrschbarkeit der Abschreckung kann ge­ zielt auf eine bestimmte Temperatur, nämlich etwas unterhalb der Auslagerungstemperatur abgeschreckt werden, wodurch eine erhebliche Menge an Aufheizenergie zum anschließenden Auslage­ rungsglühen und somit Energiekosten und auch Aufheizzeit ein­ gespart werden können. Letzteres wirkt sich günstig auf die Produktivität der Anlage aus.
• - Da die Gußstücke beim Abschrecken trocken bleiben, können sie einfacher und sicherer entsandet werden, weil der an den Werk­ stücken anhaftende, trocken bleibende und während des Ab­ schreckens abfallende Sand sich sicherer und vollständiger vom Werkstück löst. Außerdem kann der Sand anschließend leicht aus den Werkstücken trocken herausgerüttelt und/oder geblasen wer­ den.
• - Aufgrund dessen, daß die Gußstücke beim Abschrecken trocken bleiben, ist ein gesondertes und energie-intensives Trocknen der Gußstücke ebenso entbehrlich wie ein gesonderter, gut durchlüfteter Trocknungsofen. Dies entlastet nicht nur die Betriebs- sondern auch die Investitionskosten.
• - Es entstehen im Vergleich zum Stand der Technik geringere Sandverluste und geringere Entsorgungskosten von Altsand, weil der während des Abschreckens von den Werkstücken ab- bzw. her­ aus fallende Sand - weil er trocken bleibt - ohne weiteres in die Kernsandregeneration zurückgeführt werden kann. Dadurch wird nicht nur Neusand gespart, sondern auch eine entsprechende Menge Abfall mit den zugehörigen Entsorgungskosten vermieden.
• - Auch der Wasserverbrauch für das Abschrecken ist sehr gering, weil der entstehende Dampf rekondensiert und das Kondensat wiederverwendet werden kann. Auch darin liegt eine Kostener­ sparnis.

Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß durch das erfin­ dungsgemäße Abschrecken der Leichtmetallgußstücke in dem Gesamt­ prozeß der Gußteilherstellung nicht nur ein besseres Produkt er­ zielt, sondern auch erheblich weniger Energie, weniger Kernsand, weniger Wasser und weniger Zeit verbraucht sowie weniger Abfall erzeugt wird.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nach­ folgend noch erläutert; dabei zeigen

Fig. 1 schematisch und in Seitenansicht eine Anlage zur Wärmebe­ handlung von Leichtmetall-Gußstücken sowie

Fig. 2 und 3 in vergrößerter Darstellung einen in Vorschubrich­ tung (Fig. 2) und einen quer zur Vorschubrichtung (Fig. 3) genommenen Vertikalschnitt durch die Einrichtung zum Abschrecken der Gußstücke.

Die in Fig. 1 dargestellte Wärmebehandlungsanlage für Leichtme­ tall-Gußstücke, vorzugsweise Zylinderköpfe für Hubkolbenmotoren, besteht aus einem Lösungsglühofen 2, einer daran anschließenden Abschreckeinrichtung 3 sowie einem sich daran in Transportrich­ tung anschließenden Auslagerungsofen 4. Die Leichtmetall-Guß­ stücke werden nach dem Erstarren, Ausformen und Entkerner in den Lö­ sungsglühofen eingegeben, der beispielsweise als Durchstoßofen ausgebildet sein kann. Dort werden die Teile auf etwa 530°C er­ wärmt und eine gewisse Zeit lang, beispielsweise vier Stunden lang bei dieser Temperatur geglüht. Es sei an dieser Stelle er­ wähnt, daß der Lösungsglühofen zweckmäßigerweise in Form eines kombinierten Behandlungsofen nach der Eingangs zitierten EP 546 210 A1 ausgebildet sein kann, in dem die Werkstücke nicht nur lösungsgeglüht werden können, sondern in dem die Sandkerne auch pyrolytisch zerstört und der Kernverbund vollständig in riesel­ fähigen Sand aufgelöst wird. Die Gußstücke brauchen also nicht zuvor abgekühlt und entkernt zu werden; vielmehr kann die Rest­ gießwärme für ein Anwärmen auf Glühtemperatur ausgenutzt werden, wodurch nicht nur Anwärmzeit, sondern auch Heizenergie gespart werden kann. Bei Einsatz eines solchen verfahrens-kombinierenden Ofens kommen die Gußstücke nach dem Glühen entkernt und bereits weitgehend entsandet aus dem Ofen heraus. Nach dem Glühen müssen die Teile abgeschreckt werden, wofür die Abschreckeinrichtung 3 vorgesehen ist, die in den Fig. 2 und 3 vergrößert darge­ stellt ist und auf die weiter unten näher eingegangen wird. An dieser Stelle sei vorab lediglich erwähnt, daß zum Abschrecken der Gußstücke 1 diese einzeln mittels eines nebelfeinen Gemi­ sches aus Luft und Wasser beaufschlagt werden, wobei eine vor­ sichtige Abschreckung zustande kommt, die je nach Zeitdauer bis zu einer bestimmten Temperatur getrieben werden kann. Man hat es dadurch in der Hand, die Gußstücke lediglich auf etwa 130 bis 160°C abzuschrecken. Dadurch kann die Restwärme der Gußstücke ausgenutzt werden, so daß die Teile in noch warmem Zustand an­ schließend in den Auslagerungsofen 4 eingegeben werden können. Hier werden die Teile bei etwa 170 bis 210°C eine gewisse Zeit lang, beispielsweise ebenfalls etwa vier Stunden ausgelagert. Im Anschluß daran können die Gußstücke an freier Luft auf Raumtem­ peratur abgekühlt werden. Es sei hier hervorgehoben, daß die Teile beim Abschrecken im Prinzip trocken bleiben und das insbe­ sondere der von den Gußstücken abfallende Sand ebenfalls trocken ist. Soweit Kernsand nicht in den Kavitäten der Gußstücke ver­ bleibt, sondern aus den Gußstücken herausrieselt, sammelt er sich unten in den Öfen und muß dort von Zeit zu Zeit entfernt werden.

Die eingehender in den Fig. 2 und 3 dargestellte Abschreck­ einrichtung 3 ist folgendermaßen aufgebaut: Es ist ein durch Bleche umschlossener Behandlungsraum 11 geschaffen, in dem eine Rollenbahn 12 hineinführt, welche die Gußstücke trägt und för­ dert. Die Rollen können durch einen Rollenantrieb 22 angetrieben werden. Um die Gußstücke 1 von einem seitlichen Abwandern von der Rollenbahn 12 abzuhalten, sind beiderseits von der Rollen­ bahn Seitenführungsbleche 23 angebracht. Vorne und hinten an dem Behandlungsraum ist jeweils eine Hubtür 13 angebracht, die durch einen nicht mehr dargestellten Hubantrieb selbsttätig und pro­ grammgesteuert geöffnet bzw. geschlossen werden kann. Um Sand, der von den Gußstücken 1 zwischen den Rollen der Rollenbahn 12 auf den Boden des Behandlungsraumes 11 herabfällt, von Zeit zu Zeit ausräumen zu können, sind seitlich am Behandlungsraum Putz­ deckel 21 angebracht. Um beim Ausräumen des Sandes vom Boden des Behandlungsraumes die Reste leichter entfernen zu können, ist der Boden mit einer Ablaufleitung 24 versehen, durch die zusam­ mengekratzter Sand herausgelassen werden kann.

Oberseitig an den Behandlungsraum 11 ist ein Luftzufuhrgebläse 14 angebracht, über welches Luft mit Raumtemperatur angesaugt und in den Behandlungsraum bei hoher Umwälzgeschwindigkeit ein­ geblasen werden kann. Zur Luftführung sind im Inneren des Be­ handlungsraumes Luftleitbleche 15 angebracht. Unmittelbar hinter dem Luftzufuhrgebläse ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine obere Ebene von Sprühdüsen 19 angebracht, die an eine Ring­ leitung 16 angeschlossen sind und von dort mit Wasser versorgt werden. Dieses Wasser wird über die Düsen sehr fein verstäubt und in die vorbeiströmende Luft übergeben. Eine untere Ebene von Sprühdüsen ist in geringem Abstand oberhalb der Gußstücke ange­ bracht. Hierzu sind seitlich zwei Längsleitungen 17 und mehrere, die Längsleitungen leiterartig quer miteinander verbindende Querleitungen 18 vorgesehen, die ihrerseits die flächendeckend verteilt angeordneten Sprühdüsen 19 tragen. Diese sprühen das zugeführte Wasser unmittelbar auf die Gußstücke 1 auf.

Durch diese Ausbildung der Abschreckeinrichtung werden die Guß­ stücke einzeln und von allen Seiten örtlich gezielt mit feinver­ sprühtem Wasser, also mit einem Gemisch aus Luft und Wasser be­ düst. Das Wasser ist in der Luft in Form nahezu nebelfeiner Tröpfchen suspendiert. Beim Auftreffen der Tröpfchen auf die hei­ ßen Gußstücke wird das Wasser verdampft und es wird die Verdamp­ fungswärme als latente Kühlwärme ausgenutzt. Mit dieser Art der Kühlung wird eine zwar vorsichtige aber immer noch ausreichend rasche Abschreckung erreicht. Die Abschreckwirkung ist örtlich sehr gleichmäßig und kann - wie gesagt - bis zu ganz bestimmten Temperaturen der Werkstücke getrieben werden, so daß eine Rest­ wärme übrig gelassen und für das anschließende Auslagern ausge­ nutzt werden kann.

Über die Luftzufuhr 5 und das Luftzufuhrgebläse 14 werden etwa 1500 bis 5000 m³/h, vorzugsweise etwa 4000 m³/h Luft in den Be­ handlungsraum 11 hineingefördert und etwa 0,25 bis 1 Liter, vor­ zugsweise 0,5 Liter Wasser je kg Gußwerkstoff bei etwa 12 bis 24 bar in die zugeführte Luft eingedüst. Dadurch kann eine Abkühlungsgeschwindigkeit von etwa 280 bis 320°C je Minute erreicht werden. Das Verfahren ist insbesondere zur Abschreckung von Zylinderköpfen für Hubkolbenmotoren vorgesehen.

Die in den Behandlungsraum eingeblasene Luft muß gemeinsam mit dem entstehenden Dampf aus diesem Behandlungsraum auch wieder zügig abtransportiert werden. Zu diesem Zweck sind mehrere Dampf­ abzugleitungen 6 mit Dampfabzuggebläsen 20 seitlich und im Dachbereich des Behandlungsraumes angebracht. Um einen Kurz­ schluß der Luftströmung von dem Luftzufuhrgebläse 14 zu den Dampfabzuggebläsen 20 zu vermeiden, sind zwischen beiden die be­ reits erwähnten Luftleitbleche 15 angebracht. Um das eingesetzte Wasser zumindest teilweise wieder verwenden zu können, wird der entstehende und von den Gußstücken 1 fortgetragene Wasserdampf in einen Kondensator 7 geleitet und das dort kondensierte und das gesammelte Kondenswasser zur Befeuchtung des Luft/Wasser-Ge­ misches mittels der Kondensatpumpe 8 zurückgeleitet. Dem Konden­ sator 7 wird Kondensationsenergie über kalte Luft aus der Kühl­ luftleitung 10 zugeführt. Die im Kondensator erwärmte Luft wird ebenfalls ins Freie verblasen. Aufgrund der Rekondensation des Abschreckwassers können, etwa 75 bis 95%, vorzugsweise etwa 90% des Wasser erneut verwendet werden. Das restliche Wasser wird mit der Luft ins Freie über die Luftabfuhrleitung 9 hinausgetra­ gen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Wärmebehandeln von Leichtmetall-Gußstücken, bei dem diese nach dem Erstarren und Ausformen aber noch mit den Kernen aus der Gieß-Restwärme heraus in einem Ofen zum Lösungs­ glühen auf etwa 530°C erwärmt und eine gewisse Zeit geglüht wer­ den, bei dem die Gußstücke nach dem Lösungsglühen abgeschreckt und anschließend in einem Auslagerungsofen eine gewisse Zeit lang bei etwa 170 bis 210°C ausgelagert und danach auf Raumtemperatur abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußstücke (1) zum Abschrecken einzeln mittels eines Ge­ misches aus Luft und Wasser lediglich auf etwa 130 bis 160°C ab­ geschreckt werden,

• - wobei das Luft/Wasser-Gemisch nebelfein verdüst und zwangs­ konvektiv allseits auf die Gußstücke (1) verteilt wird und/
  oder
• - wobei das Luft/Wasser-Gemisch nebelfein allseits verteilt auf die Gußstücke (1) aufgedüst wird und

daß die Gußstücke (1) bei Abschrecktemperatur unter Ausnutzung der Restwärme in den Auslagerungsofen (4) eingegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken mittels des Luft/Wasser-Gemisches, bei dem das Wasser in der Luft in Form nebelfeiner Tröpfchen suspendiert ist, in einem zwar abgeschlossenen aber gut zwangskonvektiv durchlüfteten Behandlungsraum (11) unter Ausnutzung der Verdamp­ fungswärme des Wassers als latenter Kühlwärme in der Weise er­ folgt, daß der gebildete Wasserdampf laufend abgezogen wird und die Gußstücke trocken bleiben.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der entstehende und von den Gußstücken (1) fortgetragene Wasserdampf in einen Kondensationsraum (7) aufgefangen, dort kondensiert und das Kondenswasser zur Befeuchtung des Luft/Was­ ser-Gemisches durch die Pumpe (8) zurückgeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gußstücke (1) Zylinderköpfe für Hubkolbenmotoren abge­ schreckt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem zwangskonvektiven Luftstrom zum Forttragen des Wasserdampfes in einer Menge von 1500 bis 5000 m³/h Luft, vorzugsweise von etwa 4000 m³/h gearbeitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußstücke (1) in etwa 1 Minute von etwa 530°C auf etwa 160°C abgeschreckt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 0,25 bis 1 Liter, vorzugsweise etwa 0,5 Liter Wasser je kg Gußwerkstoff, als luftsuspendierter Wassernebel zum Abschrec­ ken der Gußstücke (1) eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Abschrecken verdampfte Wasser zu etwa 75 bis 95%, vorzugsweise etwa 90%, rekondensiert und erneut verdüst wird.