DE2430445A1

DE2430445A1 - Mit mikrowellen-energiestrahlung zu behandelnder stoff oder gegenstand mit einem mikrowellenenergie absorbierenden zusatz bzw. verfahren zur erwaermung oder trocknung von stoffen oder gegenstaenden

Info

Publication number: DE2430445A1
Application number: DE19742430445
Authority: DE
Inventors: Edward Charles Dench; George Freedman
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1973-06-25
Filing date: 1974-06-25
Publication date: 1975-01-23
Also published as: FR2234243A1; CA1049251A; GB1481356A; BE816585A; FR2234243B1; JPS5037620A

Description

PATENTANWÄLTE DR.-PHIL. C. NICKEL · DRYING. J. DORNER

8 M 0 N C H EN 15

LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH 104 '

TEL. (0811) 555719

München, den 2k. Juni 1974 Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 86

Raytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, Mass. 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Mit Mikrowellen-Energiestrahlung zu behandelnder Stoif oder Gegenstand mit einem Mikrowellenenergie absorbierenden Zusatz bzw. Verfahren zur Erwärmung oder Trocknung von Stoffen oder Gegenstanden.

Die Erfindung betrifft einen mit Mikrowellen-Energiestrahlung zu behandelnden Stoff oder Gegenstand mit einem Mikrowellenenergie absorbierenden Zusatz bzw. ein Verfahren zur Erwärmung oder Trocknung von Stoffen oder Gegenständen.

Im industriellen Gießereiwesen werden Formen und Kerne zum Giessen von Metallteilen üblicherweise aus sand- oder gipshaltigen Materialien hergestellt, die mit einem aushärtbaren Bindemittel vermischt werden, um die Form oder den Xern selbsttragend auszubilden. Das Rohmaterial, das von Natur aus ein schlechtes oder thermisch nichtleitendes Material ist, muß durch elektrische Energie oder andere Energiearten in einem Ofen auf einen gewünschten Temperaturbereich erhitzt werden, um die Form oder den Kern auszuhärten.

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Durch die US-Patentschrift 3 519 516 ist die Verwendung von elektromagnetischer Energie im Mikrowellen-Frequenzbereich zum. Aushärten von Gießereiformen und -kernen aus einer im wesentlichen körnigen, feuerfesten Zusammensetzung bekannt geworden, die von einem durch Wärme härtbaren Kunstharzbindemittel umhüllt ist, das für eine Mikrowellenbehandlung verlustbehaftete Zusatzstoffe aus der Gruppe kohlenstoffhaltiger Materialien, wie Kohle, Ruß oder Graphit enthält. Eine wesentliche Verringerung der für das Aushärten der grünen Formen und Kerne unter Einschluß von durch ivärme härtbaren Kunstharzen erforderlichen Zeit erhält man durch die Verwendung von Mikrowellenenergie,

Ein älterer Vorschlag befaßt sich mit der Verwendung von kohlenstoffhaltigen Zusätzen bei der Herstellung von Metallgußformen oder -kernen durch Aufschwemmen des Sand-Kunstharzgemisches mit dem Zusatzmaterial, das anschließend getrocknet und gelagert wird, um zu einem späteren Zeitpunkt verwendet zu werden. Ein anderer älterer Vorschlag betrifft die Herstellung von Gipsformen unter Verwendung von Mikrowellen—Strahlungsenergie.

Durch die US-Patentschrift 3 429 359 ist die Verwendung von Ferritmaterialien für eine Behandlung von Gießerei—Kernkasten mit Mikrowellenenergie bekannt geworden, um die Kerne mittels der durch die Ferritschicht absorbierten TVärme aufgrund von Wärmeleitung zu erhitzen. Derartige Ferrrtschichtmaterxlien bestehen jedoch hauptsächlich aus einer Magnesium-, Zink-, Kupferoder Lithium-Ferritzusammensetzung, da Veränderungen in den magnetischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur mehr zum Erhitzen durch Wärmeleitung als durch unmittelbare Absorption der Mikrowellenenergie nutzbar gemacht werden.

Ein Bearbeitungsverfahren mit elektromagnetischer Energie in Ofen benutzt Energiequellen im Mikrowellen-Frequenzbereich des elektromagnetischen Energiespektrums, wie Magnetrons oder andere Hochfrequenz-Abgabeeinrichtungen. Die Betriebsfrequenzen werden behördlich zugewiesen und betragen üblicherweise 915 - 13 MHz

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oder 2450 - 50 METz in dem sogenannten technisch-wissenschaftlichen Anwendungsbereich. Der Ausdruck "Mikrowelle" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung als elektromagnetische Energiestrahlung festgelegt, die Wellenlängen im Bereich zwischen 1 m und 1 mm und Frequenzen im Bereich zwischen 3OO MHz und 300 GiIz aufweist. Der Ausdruck "verlustbehaftet" bezieht sich auf beliebige Materialien, die bereitwillig Mikrowellenenergie absorbieren. Der Begiriff "ferrimagnetisch" schließt Materialien ein, die gelegentlich als "anti-ferromagnetisch" bezeichnet werden, sowie auch Materialien, deren Magnetisierungen zweier Untergitter antiparallel ausgerichtet sind, die sich aber in der Größe unterscheiden, so daß das eine Untergitter das andere Untergitter nicht vollständig kompensiert. Solche Materialien besitzen auch eine reziproke Suszeptibilität in Abhängigkeit von der Temperatur oder einen asymptotischen Curie-Punkt. Ferrite und Granate sind Beispiele für derartige ferrimagnetische Materialien.

Bei bekannten Verfahren einer Behandlung mit Mikrowellen-Energiestrahlung werden gewisse, von Kohlenstoff abgeleitete Materialien zu der Grundmaterialmischung, z. B. einem mit Kunstharz versetzten Sand oder Gips, in vorbestimmten Mengen bis zu vier Gewichtsprozent der Mischung hinzugefügt. Die bei der Verwendung von Mikrowellen verlustbehafteten Zusatzmaterialien werden in der Form- oder Kernmischung durch Aufschwemmung des Sandes ;nd des Zusatzstoffes mit Kunstharzbindemitteln in einem Naßprozeß gleichmäßig verteilt, getrocknet und abgelagert, bevor die Herstellung der Form oder des Kernes erfolgt. Die verlustbehafteten Zusatzmaterialien vei-bessern den Nutzeffekt des Formoder Kernhärteprozesses mit Miki-owellenenergie, weil durch sie die erforderliche Gesamtbehandlyngszeit bedeutend herabgesetzt wird. Die Härtezeiten liegen in der Größenordnung von Sekunden oder Minuten im Gegensatz zu den bekannten Behandlungsverfahren, die eine Härtezeit von Stunden erfordern. Die Ausübung der durch die US-Patentschrift 3 519 5l6 und durch den letztgenannten älteren Vorschlag beschriebenen Verfahren bietet jedoch Schwierigkeiten beim VergießeB von flüssigen Metallen, die ein von Kohlen-

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stoff abgeleitetes Formiermaterial aufweisen, so daß sich Aufkohlungseffekte ergeben. Zu diesen Metallen oder Legierungen zählen nichtrostender Stahl, Chrom, Vanadium, Titan und dergleichen. Daher ist der Nutzeffekt der Mikrowellenbehandlung bei Gießformen oder -kernen für die Verwendung derartiger Metalle oft bestritten worden.

Hinzu kommt, daß bei der Behandlung gewisser Materialien mit Mikrowellenenergie die Entfernung eines sehr niedrigen Prozentsatzes an Feuchtigkeit mit Schwierigkeiten verbunden ist, weil die verlustbehafteten Zusätze eine Überhitzung herbeiführen können, die zu Verschmorungen, Verkohlungen oder anderen Schädigungen des behandelten Produktes führt. Nahrungsmittel und andere schlechte Wärmeleiter sind diesen Materialien zuzurechnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Härte- oder Trocknungsvorgang eines derartigen Produktes so auszugestalten, daß die Behänd lungszeit im Vergleich zu den Vorgängen in konventionellen Anlagen wesentlich herabgesetzt ist. Ferner sollen bestimmte Gegenstände, wie Gießformen, Gießkerne oder dergleichen, auch für den Verguß von kohlestoffhaltigen Metallen geeignet sein. Schließlich soll auch bei geringen Restfeuchtigkeiten eine Überhitzung der zu behandelnden Produkte vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung gelöst durch ein teilchenartiges Grundmaterial und ein ferrimagnetisches Zusatzmaterial mit für Mikrowellenenergie stark absorbierenden Eigenschaften, insbesondere eine zweiwertige oder dreiwertige Eisenoxydverbindung. Die Erfindung umfaßt auch ein entsprechendes Erwärmungs- bzw. Trocknungsverfahren.

Naoh einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird diese Aufgabe bei der Behandlung von Nahrungsmitteln oder dergleichen gelöst durch ein flüssigkeitshaltiges Grundmaterial und einen Zusatz aus ferrimagnetischem Oxydmaterial mit einer unteren Übergangs temperatur, bei der das Grundmaterial für Mikrowellenenergie vergleichsweise durchlässig ist, wodurch inneren Restilus-

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sigkeismengen durch unmittelbare Absorption dieser Energie erhitzt werden, ohne daß sich die Temperatur der äußeren Material— begrenzungsflächen wesentlich erhöht.

Wie sich gezeigt hat, kann das gegenüber Mikrowellenenergie verlustbehaftete Zusatzmaterial aus der ferrimagnetischen Familie vorzugsweise für Grießformen- oder -kernmischungen verwendet werden, um ein unempfindliches und verträgliches Material für Metallabgüsse mit den erwähnten kohlenstoffhaltigen Metallen oder Legierungen zu erhalten. Ein Beispiel für ein nicht von Kohlenstoff abgeleitetes Zusatzmaterial stellt Magnetit (Pe_O.) mit zweiwertigem oder dreiwertigem Eisenoxyd dar. Dieses Material ist äußerst feinkörnig und ermöglicht somit eine leichte Verteilung in der Mischung. Es kann auch in einem Sand-Kunstharz-Auf schwemmungsprozeß verwendet werden, um die für die Erstellung der Gießformen oder -kerne notwendige Mischung herzustellen. Die Verwendung von verlustbehafteten ferrimagnetischen Materialien verursacht keine Aufkohlungseffekte; diese Materialien sind völlig verträglich mit Kohlenstoffabkömmlinge enthaltenden flüssigen Metallen. Weiter sei darauf verwiesen, daß wesentlich kleinere Prozentsätze des verlustbehafteten, absorbierenden Zusatzmaterials notwendig sind', wodurch die Kosten je Tonne der Formen- oder Kernraischung herabgesetzt werden. Der Zusatz von ferrimagnetischem Material zu dem flüssigen Metallbrei kann auch in der Feingießtechnik sowohl bei Verwendung von durch Mikrowellen gehärteten Formen als auch bei Verwendung von Gipsformen ang ewend et werden,

Gewisse Ferritmaterialien können auch geringen restlichen Feuchtigkeitsgehalt aufweisenden Nahrungsmitteln oder anderen Produkten, die durch Mikrowellenübertiitzung Schaden nehmen könnten, zugesetzt /werden. Da einige Ferritarten eine Veränderung der Mikrowellendurchlässigkeit beim Curie-Temperaturpunkt zeigen, kann die Verwendung solcher Materialien, die vergleichsweise niedrige kritische Haltepunkte aufweisen, vorteilhaft sein. Wasser verdampft beim Einwirken von Mikrowellen leicht, da es eine sehr

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verlustbehaftete, absorbierende Substanz ist. Die das Material durchdringenden Mikrowellen erfassen und verdampfen die Feuchtigkeit schnell. Ein kleiner Restgehalt läßt sieh jedocii häufig nur schwer entfernen, da auf über den Siedepunkt des Wassers erhöhte Temperaturen zu ernsthaften Schädigungen des Produktes führen könnten. Der Zusatz eines geringen Prozentsatzes an Ferritpulver bewirkt ein selbstbegrenzendes Verhalten dergestalt, daß dann, wenn das Produkt einmal bis auf eine Temperatur von 100 C erhitzt ist, wobei nahezu die gesamte Feuchtigkeit durch Wärmeleitung verdampft, die weitere Absorption durch das verlustbehaftete Ferritmaterial, das eine Curie-Temperatur von etwa 150⁰C aufweist, gesteuert werden kann. Ist einmal das 150 C Temperaturniveau überschritten, so dringen die Mikrowellen unmittelbar in das Innere, ohne die dazwischenliegenden Moleküle zu erhitzen. Geringe Restmengen an Wasser werden damit auf einfache Weise wirksam beseitigt. Als Beispiel für ein derartiges Material sei BeFe₀O genannt. Andere Ferrite mit einer Curie-Temperatur von etwa 204 C bis 232 C umfassen CdFe₃O..

Wie aus der US-Patentschrift 3 519 516 hervorgeht, setzt sich ein beispielhafter Ansatz für die Verwendung in Grieß&eraen und -formen wie folgt zusammen:

Prozent

Getreidemehl 1,0

Bindemittel (auf Harnstoff- oder Phenolbasis) 0,5

Melasse 0,5

Katalysator 0,1

Wasser 1,5

Borsäure 0,25

Sand (Jersey Silika - Siebgröße 70 Rest

Die flüssigen und festen Bestandteile werden gemischt und anschließend erhitzt. Die Kerne werden in Gießformen geformt und entweder von Hand gestampft oder in Kernkästen eingeblasen, um die Mischung zu verdichten, ifach einem Ausführungsbeispiel der

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Erfindung verringert ein Zusatz von weniger als ein Prozent fein verteilten Magnetits (Fe„O ) die Härtezeiten ganz erheblieh auf eine Größenordnung von Sekunden oder Minuten, während herkömmliche Öfen weit längere Ilärtezeiten erfordern wurden. Der hei einer Mikrowellenbehandlung in der Mischung gleichmäßig verteilte verlustbehaftete Zusatzstoff erhitzt rasch die feuchten Bestandteile und vergleichmäßigt schnell die Aushärtetemperatur, um das Kunstharzbindemittel auszuhärten, wodurch man ein gleichmäßig abgebundenes und fest zusammenhängendes Endprodukt erhält. Wie an sich bekannt, werden zweiwertige oder dreiwertige Eisenoxyde in dem klassischen Spinell MgAl 0 oder in den in der Natur vorkommenden reinen Ferriten ausgetauscht gegen Mg und A3 .

Wie der erstgenannte ältere Vorschlag zeigt, sind als Lösung oder als Suspension in einem Lösungsmittel oder in einem Trägermittel in Wärme aushärtende Bindemittel verfügbar, die bei Temperaturen unterhalb des Härtebereiches des Kunstharzes ausgeschieden werden können. Besonders geeignet als Bindemittel sind Harnstoff-Formaldehyde und Phenol-Formaldehyde. In einer beispielhaften Mischung beträgt der Kunstharzbindemittelanteil annähernd drei Gewichtsprozent, wobei diesem l/8 Prozent bis l/k Prozent Magnetit zugefügt werden, während der Rest aus Silika-Sand besteht. Das Bindemittel nach diesem Beispiel ist im Handel unter der Bezeichnung "Borden¹s Phenol-Kunstharz" erhältlich, welches annähernd 60 Prozent Feststoffe aufweist, die mittels zusätzlicher Lösüngsmittel-Mischungskomponenten verdünnt sind, die 17 Prozent Äthylalkohol, 12 Prozent Methylazeton und 6 Prozent Wasser enthalten, wobei diese Prozentsätze zusammen mit den vorhergehenden Prozentanteilen auf die Ausgangsmenge des handelsüblichen Kunstharzes bezogen sind. Der Naß-Mischvorgang wird in ' einem angewärmten Gießerei-Sandmischer durchgeführt und die Mischung wird anschließend auf einem Schüttelsieb luftgetrocknet, um nahezu das gesamte Lösungsmittel zu entfernen. Die aufgeschwemmt e,: mit Kunstharz und Zusatzstoff versetzte Mischung kann dann in einen Formenhohlraum oder in einem Gefäß verdichtet werden, das eine ausreichende Durchlässigkeit für Mikrowellen-

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Energie strahlung sowie eine ausreichende Temperaturbeständigkeit gegenüber der beim Aushärten des Bindemittels entstehenden Hitze aufweist, wie Glas oder Keramik, Zement oder Gips. Da die Mischung trocken ist, erhält man eine angemessene Verdichtung beim Eingießen in den Formenhohlraum in Verbindung mit einer ausreichenden Rüttelbewegung, so daß die Ausfüllung sämtlicher Stellen sichergestellt sind. Das Bindemittel umhüllt die einzelnen Sandpartikel mit dem gegenüber Mikrowellen verlustbehafteten ferrimagnetischen Zusatzmaterial, welches die Herstellung von Kernen oder Formen für die Verwendung von flüssigen Metallen, die nicht mit von Kohlenstoff abgeleiteten Zusätzen verträglich sind, unterstützt .

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft die Herstellung von gipshaltigen Gießformen, die nützlich für die Ausübung des Hot-Bos-Schalengußverfahrens sind. Gipsformen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn ziemlich komplexe Metallabgüsse hergestellt werden müssen, die ihrerseits dazu verwendet werden, um Kunststoffteile oder flächiges Material mit komplizierten OberfMchenmustern herzustellen, wie Holzmaserungen oder Gegenstände mit dem Aussehen von Leder oder Geweben. Bei solchen Anwendungsformen besteht der Gips aus einer Mischung von annähernd 50 Prozent Stuckgips und von etwa ebenso viel faserigem Talk sowie etwas Silika-Sand. Der Gips wird mit großen Mengen ¥asser vermischt, um ein dünnflüssiges Fluid zu erzeugen, das auch vergleichsweise komplexe Formgestaltungen in der Mutterform oder im Orginalmuster vollständig ausfüllen kann. Der Zusatz von verlustbehaftetem, ferrimagnetischem Material bewirkt die Absorption von Mikrowellenenergie mittels magnetischer Hysterese und demgemäß eine Erhöhung der Temperatur. Bei einer Temperaturerhöhung erhöht sich auch die Temperatur der umgebenden Grundmasse aufgrund von Wärmeleitung. Das Wasser indem gipshaltigen Kernmaterial absorbiert ebenfalls Energie und verdampft infolgedessen, wodurch der Kern oder die Form getrocknet wird. Die Erhitzung des ferrimagnetischen Oxydmaterials unterstützt daher das Aufrechterhalten der erhöhten Formtemperatur in dem für die Verdampfung von Was-

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ser in dem gipshaltigen Grundmaterial gewünschten Temperaturbereich. Die wirksame Trocknung der Gipsform ist ein notwendiger Vorgang, weil beliebige Restwasseranteile einen Metallabguß durch Rißbildung und andere Fehler oder sogar durch explodierende Formteile, die mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommen und dadurch das restliche Wasser zum Verdampfen bringen, verderben könnten. Die Erstellung von Gipsgußteilen, die frei von restlichen Fehlern aufgrund einer unzureichenden Trocknung sind, bietet daher einen weiteren Vorteil auf dem Gebiet des Gießereiwesens.

Für andere wasserhaltige Materialien kann der Zusatz von ferrimagnetischem Material mit einer unteren kritischen Curie- oder der entsprechenden Neel-Temperatur von etwa 232 C oder weniger vorgesehen werden. Damit erhält man eine unmittelbare Durchdringung und Erhitzung jeglicher Restfeuchtigkeit ohne unzulässige Erhöhung der Temperatur der zu behandelnden Materialien auf einen Wert, bei dem eine Beschädigung auftreten könnte-.

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Claims

Patentansprüche

1. Mit Mikrowellen-Energiestrahlung zu behandelnder Stoff oder Gegenstand, z. B. Gießform, Gießkern oder dergleichen, gekennzeichnet durch ein teilchenartiges Grundmaterial und ein ferrimagnetisches Zusatzmaterial mit für Mikrowellenenergie stark absorbierenden Eigenschaften, insbesondere eine zweiwertige oder d reiwertige Eis enoxydverbindung.

2. Stoff oder Gegenstand nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein durch Y/ärnie härtbares Kunstharzbindemittel, das die einzelnen Partikel der Grund- und Zusatzmaterialien umhüllt.

3. Stoff oder Gegenstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial mit dem Kunstharzbindemittel vereinigt ist und zunächst nicht die Grundmaterial-Partikel umhüllt,

4. Stoff oder Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial aus einer Suspension aus Gips und Wasser besteht.

5. Stoff oder Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial im wesentlichen aus körnigem, feuerfestem Material besteht.

6. Stoff oder Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial Magnetit in einer Menge von weniger als ein Gewichtsprozent des gesamten Produktes enthält.

7. Mit Mikrowellen-Energiestrahlung zu behandelndes Produkt, wie Nahrungsmittel oder dergleichen, gekennzeichnet durch ein flüs-

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4§

sigkeitshaltiges Grundmaterial und einen Zusatz aus ferrimagnetischem Oxydmaterial mit einer unteren Übergangstemperatur, bei der das Grundmaterial für Mikrowellenenergie vergleichsweise durchlässig wird, wodurch die inneren Restf lüssiglceiten durch unmittelbare Absorption dieser Energie erhitzt werden, ohne daß sich die Temperatur der äußeren Materialbegrenzungsflächen wesentlich erhöht.

S. Produkt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangstemperatur artnähernd 232 C oder weniger beträgt,

9. Verfahren zur Erwärmung oder Trocknung von Stoffen oder Gegenständen mittels Mikrowellenenergie, dadurch gekennzeichnet, daß einem partikelweise vorliegenden Grundmaterial des Stoffes oder Gegenstandes* ein ferrimagnetisches Zusatzmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis S vor der Mikrowelleneinwirkung beigegeben wird.

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