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Verfahren und Einrichtung zum Aushärten
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von Sandformkörpern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aushärten
von Sandformkörpern, insbesondere von Gießkernen, aus kunstharzgebundenom Sand mittels
gasförmigem oder dampfförrnigem Katalysator, der einem Trägergas zugegeben wird,
w" nach das Katalysator/Trägergas-Gemisch durch eine den noch losen Sandformkörper
enthaltende Form gepreßt wird, wobei das aus der Form entweichende Gasgemisch ohne
Vermischung mit Umgebungsluft möglichst vollstandig aufgefangen und zur wenigstens
teilweisen Auskondensation und Rückgewinnung des enthaltenen Katalysators durch
eirle Kältefalle geleitet wird.
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Nach dem Kaltaushärtverfahren lassen sich Kerne mit guter Biege- und
Abriebfestigkeit, hoher Maßgenauigkeit und Oberflächengüte sowie guter Lagerfähigkeit
aus kalten Formwerkzeugen in sehr kurzen Taktzeiten herstellen. Die Sandmischung
für dieses VerfahrenFesteht aus trockenem Quarzsand und einem flüssigen Zweikomponenten-Kunstharzbindersystem,
welches bei Zutritt von Katalysator aushärtet.
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Der hierbei meist verwendete Katalysator ist ein bei Raumtemperatur
flüssiges, leichtflüchtiges Amin, z. B. Triäthylamin, welches übel riecht, giftig
und leicht explosiv ist. Darüber hinaus werden die Katalysatoren von Luftkomponenten,
nämlich von Wasser und von Kohlendioxid zersetzt.
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Der Katalysator wird dem Trägergas meist in flüssiger Phase zudosiert
und durch hohe Strömungsturbolenzen und Strömungsgeschwindigkeiten an der Einspritzstelle
im Trägergas vernebelt. Daneben gibt es auch die Möglichkeit durch Durchleiten durch
eine Vorlage von Katalysatorflüssigkeit mit Katalysa-Es tordampf zu sättigen./ ist
auch eine Vorwärmung des Trägergases oder des Gemisches für eine Vergasung des Katalysators
bekannt.
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Die oben aufgeführten Eigenschaften der Katalysatoren machen die Anwendung
dieses Kaltaushärtverfahrens etwas umständlich.
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Bekannte Anlagen arbeiten mit einer Dunstabsaugung über der Kernschieß-
und Aushlirtmaschine. Die im Bereich der Maschine austretenden, sich mit der Umgebungsluft
vermischenden Katalysatordämpfe wurden außerhalb der Werkhalle ins Freie verblasen.
Abgesehen
davon, daß damit die unmittelbare Umgebung der Maschine nicht frei von schädlichen
Katalysatordämpfen gehalten werden kann und auch die fertigen Kerne an ihrem Lager-
und an ihrem Einsatzplatz immer noch Katalysatordämpfe verbreiten, ist auch die
weitere Umgebung der Kerninacherei durch Katalysatordämpfe mit ihrem sehr niedrigen
Geruchsschwellwert belästigt.
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Denkbar wäre es, die Katalysatornebel durch eine Verbrennung zu beseitigen.
Wegen der hohen Verdünnung und wegen des nur schußweise anfallenden Katalysatornebels
kann aber eine kontinuierliche Verbrennung nicht aufrechterhalten werden; es wäre
ein leistungsfähiges, d. h. energieintensives Stützfeuer erforderlich. Im übrigen
ist damit das Umweltschutzproblem zum Teil nur auf die Rauchgasseite einer solchen
Verbrennung verlagert, aber nicht endgültig gelöst, ganz abgesehen von dem hohen
Verbrauch an Katalysator.
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Wegen der erwähnten Zersetzung des Katalysators durch Luftkomponenten
ist eine bloße Rezirkulation des Katalysators auf Dauer ebenfalls nicht möglich.
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Das eingangs genannte Verfahren ist Teil des Anmeldungsgegenstandes
einer älteren Anmeldung der Anmelderin (P 23 50 388.8-24). Gemäß diesem Vorschlag
wird das Umw ltproblen dadurch gelöst, daß sowohl das Trägergas als auch der Katalysator
in einem geschlossenen Kreislauf
gefahren werden, so daß keine
Verbindung mit der Atmosphäre besteht. Diese Arbeitsweise setzt eine Trennung von
Katalysator und Trägergas nach dem Härten und eine jeweilige gesonderte Reinigung
beider Medien vor ihrer Wiedervereinigung und Wiederverwendung im Gemisch voraus.
Die geschlossene Arbeitsweise bringt zwar einen wirksamen Umweltschutz, aber das
ständige Reinigen der beiden Kreisläufe ist eine relativ energieintensive Aufgabe.
Darüber hinaus sind die apparativen Voraussetzungen der geschlossenen Arbeitsweise
nicht unbeträchtlich und können zu Störungen Anlaß geben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen möglichst
einfachen Verfahrensablauf vorzuschlagen, der apparativ einfach zu verwirklichen
ist, der eine Katalysator-Rückgewinnung und -wiederverwendung erlaubt und der möglichst
wenig Verfahrensenergie benötigt, wobei aber das Umweltschutzproblem ebenfalls ohne
weiteres zufriedenstellend lösbar ist.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren,
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Trägergas ein verflüssigbares in verflüssigtem
Zustand bevorratetes ohne weiteres umweltverträgliches Gas insbesondere Stickstoff
verwendet wird, welches vorzugsweise vor der Katalysatorzugabe wärmeaufnahmeseitig
in der Kältefalle durch Wärmezufuhr vergast und in anschließenden Gasleitungen vorzugsweise
durch die Umgebungswärme erwärmt wird
und daß das aus der Form
austretende aufgefangene Katalysator/Trägergas-Gemisch zur Wärmeabgabe an das Trägergas
und zur wenigstens teilweisen Vergasung des Trägergases wärmeabgabeseitig in der
Kältefalle in wärmeaustauschendem Kontakt mit zu vergasendem Trägergas gebracht,
dabei anfallendes Kondensat aufgefangen und abgeleitet sowie das benutzte vom Katalysator
zumindest weitgehend befreite Trägergas wenigstens mittelbar in die Atmosphäre entlassen
wird.
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Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß verflussigte Gase,
insbesondere verflüssigter Stickstoff relativ billig, zumindest billiger als entsprechende
Druckgase erhaltlich sind und daß mit diesen Gasen eine hohe Kühlleistung erbracht
werden kann, um damit kaltseitig die Kältefalle zu speisen. Hierdurch wird ein leistungsfähiges
Kälteaggregat sowie eine entsprechende hohe Antriebsleitung entbehrlich. Da der
Vorratsbehälter für das Trägergas gleichzeitig auch einen Druckspeicher darstellt,
sind auch Kompressoren und entsprechende Antriebsleistung zur Aufrechterhaltung
eines treibenden Druckgefälles entbehrlich.
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Aufgrund der Auskondensation des Katalysators aus dem Trägergas nach
dessen Benutzung ist eine weitgehende Rückgewinnung und Wiederverwendung des Katalysators
möglich.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausnutzung der Kälte des bevorrateten
Trägergases zur Auskondensation des Katalysators ist die Wiederverwendung des Trägergases
hingegen nicht mehr möglich. Der Arbeitskreislauf muß als offener schließlich in
der Atmosphäre endigender Kreislauf ausgebildet
sein. Es wird
von den einzelnen Umständen des Jeweiligen Einsatzfalles abhängen, ob die in der
Kältefalle mögliche Rückgewinnung von Katalysator ausreichend ist, d. h.
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ob die Reduzierung des Katalysatorgehaltes so weitgehend erfolgen
kann, daß das Trägergas in die Atmosphäre entlassen werden kann, oder ob noch eine
Nachreinigung erforderlich ist. Da aber in Jedem Fall ein großer, wenn nicht der
weit überwiegende Teil des Katalysators entzogen werden kann, ist das Reinigungsproblem
auf einen Rest von Katalysator beschränkt, welcher Rest sowohl hinsichtlich der
erforderlichen Apparate als auch unter dem Blickwinkel der erforderlichen Chemikalien
und der erforderlichen Verfahrensenergie nur noch von nachrangiger Bedeutung gegenüber
dem Fall ist, daß die ganze Katalysatormenge entzogen bzw.
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durch Reinigen beseitigt werden müßte. Diese Restreinigung kann beispielsweise
durch eine sauere Wäsche erfolgen, in welcher die Katalysatorroste aus dem Trägergas
ausgewaschen werden. Der ausgewaschene Katalysator wird dann mit dem gesättigten
für die Wäsche verwendeten Mittel auf einer entsprechenden Deponie verworfen.
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Um die verfügbare in dem bevorrateten Trägergas enthaltene Kältemenge
möglichst gut für Kondensationszwecke ausnUtzen zu können und um dementsprechend
einen möglichst hohen Anteil von Katalysator auskondensieren zu können, ist es zweckmäßig,
wenn das zu vergasende Trägergas und das benutzte Katalysator/Trägergas -Gemisch
im Gegenstromprinzip durch die Kältefalle hindurchgelei..t-t werden.
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Es ist möglich, daß durch die Porenluft des Sandformkörpers oder durch
den Sandforinkörper selber oder auch von anderer Seite her Fremdbestandteile, z.
B. Feuchtigkeit od. dgl. in das System eingeschleppt werden. Um bei einer Rezirkulation
des Katalysators diesen sich nicht mit derartigen Fremdbestandteilen anreichern
zu lassen, ist es vorteilhaft, aus dem aufgefangenen und abgeleiteten Kondensat
Katalysatorflüssigkeit zu extrahieren und nur diese extrahierte Katalysatorflüssigkeit
wieder zu verwenden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß das Kondensat
einer fraktionierten Destillation unterworfen wird und daß dann nur die Katalysatorfraktion
wiederverwendet wird. Eine Quelle von Verunreinigungen des rezirkulierten Katalysators
kann die für die pneumatische Füllung der Form verwendete Druckluft darstellen.
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Um Verunreinigungen von dieser Seite weitgehend auszuschließen, kann
für das Formfüllen gereinigte und/oder getrocknete Druckluft verwendet werden. Um
mechanische Verunreinigungen, die seitens des Formsandes oder von einer staubigen
Umgebungsluft bei der Formschießmaschine in das System eingeschleppt werden könnten,
zurückzuhalten, kann für das aus der Form austretende aufgefangene Gasgemisch eine
Staubfilterung vorgesehen sein.
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Damit die fertig ausgehärteten Sandformkörper nicht an ihrem Lager-
und/oder an ihrem Einsatzplatz Katalysatordämpfe verb#ten können1 ist es zweckmäßig,
die nach dem Durchpressen von Katalysator/Trägergas-Gemisch durch die Form in den
Poren des Sandforikörpers zurückbleibenden Gemischreste daraus zu verdrängen und
ebenfalls aufzufangen.
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Hierfür kann systemkonform Trägergas verwendet werden.
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Beim offenen Kreislauf kann es aber auch aus Gründen der Trägergasersparnis
und, damit über die Menge und die Temperatur des Spülgases ein gewisses Regulativ
für die Wärmebilanz des offenen Kreislaufes gegeben ist, zweckmäßig sein, zum Spülen
des fertigen Sandformkörpers normale Druckluft zu verwenden. Sollte sich erweisen,
daß das benutzte Katalysator/Trägergas-Gomisch aufgrund mangelnden Wärmeinhaltes
nicht in der Lage ist, das verflüssigte Trägergas in der Kältefalle zu vergasen
- was insbesondere nach Arbeitspausen befürchtet werden kann -, so kann eventuell
unter Einschaltung einer Vorwärmstrecke mit Druckluft gespült und mit dieser ein
Wärmedefizit ausgeglichen werden.
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Hinsichtlich des apparativen Aspektes der Erfindung geht diese von
einer Einrichtung aus zum Aushärten von Sandformkörpern, insbesondere von Gießkernen
aus kunstharzgebundenem Sand mittels gasförmigem oder dampfförmigem Katalysator,
mit einem durch eine den losen Sandformkörper enthaltende geschlossene Form hindurchgeführten
Arbeitskreislauf, in welchem in Strömungsrichtung vor der Form ein Trägergas-Vorratsbehälter
und eine Mischstelle für Trägergas und Katalysator und in Strömungsrichtung hinter
der Form eine Kältefalle zur Auskondensation des Katalysators aus dem Trägergas
angeordnet ist.
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In dieser Hinsicht liegt der Erfindung die bereits oben erwähnte Aufgabe
zugrunde. Bezüglich der Einrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß der Vorratsbehalter als wärmeisolierter Druckbehälter zur Bevorratung von verflüssigtem
Trägergas ausgebildet ist, daß die Kältefalle als ein kaltseitig von dem flüssigen,
sich vergasenden Trägergas durchströmter Wärmetauscher ausgebildet und in den Kreislauf
einbezogen ist und daß der Arbeitskreislauf bezüglich des Trägergases als ein offener
schließlich in der Atmosphäre endigender Kreislauf ausgebildet ist.
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Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigt die Figur eine schematische Anordnung
zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem hinsichtlich des Katalysators
geschlossenen aber hinsichtlich des Trägergases offenen Kreislauf.
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In der dargestellten Verfahrensanordnung ist ein offener Trägergaskreislauf
vorgesehen, der folgende wichtige Bestandteile enthält: einen wärmeisolierten druckfesten
Behälter 1 zur Bevorratung von verflüssigtem Trägergas, z. B. von flüssigem Stickstoff,
dessen Temperatur -196 OC beträgt; eine als Gegenstromkühler ausgebildete Kältefalle
2 zur Vergasung des Trägergases und zur Auskondensation des Katalysators;
ein
Arbeitsventil 3 zum Freigeben des Misch- und des Aushärtevorganges und dem Beendigen
des Arbeitsvorganges; eine Miscbkammer 4 für das Versetzen von Trägergas mit Katalysator;
den weitgehend gasdicht verschließbaren Formkasten 5 zum Abformen des Sandes und
zum Auffangen des Gemisches; einen Staubfilter 6 zur mechanischen Reinigung des
der Form entströmenden Gemisches; einen abluftseitig an die Kältefalle 2 angeschlossenen
Gaswäscher 7 mit Umwälzpumpe 8 zum Auswaschen verblieebener Katalysatorreste.
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In der Verfahrensanordnung ist ferner ein bereichsweise mit dem Trägergaskreislauf
übereinstimmender Katalysatorkreislauf vorgesehen, der abgesehen von geringfügigen
Restmengen an Katalysator, die beim Wäscher 7 ausgewaschen und aus dem Kreislauf
entfernt werden, im wesentlichen ein geschlossener Kreislauf ist. Zu diesem geschlossenen
Katalysatorkreislauf gehören folgende wichtigen Teile: der Katalysator-Vorratsbehälter
9g die Dosiereinrichtung 10 für Katalysator; die bereits erwähnten Teile, die sowohl
Teil des Katalysator- als auch Teil des Trägergaskreislaufes sind, nämlich Mischkammer
4, Formkasten 5, Staubfilter 6 und Kältefalle 2;
eine kondensatseitig
an die Kältefalle angeschlossene Destillationskolonne 11 zur Isolierung des Katalysators
aus dem Kondensat.
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Das in der Kältefalle 2 abgeschiedene Kondensat enthält zwar in der
Regel hauptsächlich Katalysator, es kann aber durch Roaktionsprodukte und eingeschleppte
Fremdstoffe, z. B. Wasser, auch inaktive Bestandteile enthalten, die sich in einem
geschlossenen System anreichern können. Daher ist die Destillationskolonne 11 vorgesehen,
in der das Kondensat gereinigt und der Katalysator in einer wiederverwendbaren reinen
Form isoliert wird. Die Katalysatorfraktion wird in gleichbleibender Qualität wieder
eingesetzt, höher und niedriger siedende Franktionen werden verworfen. Der wiedergewonnene
Katalysator wird in flüssiger Phase in den Behälter 9 zurückgeleitet und dort gespeichert,
in welchen hinein auch etwaige ausgeschleppte Verluste an Katalysator ergänzt werden.
Sollte sich fallweise eine Katalysatorreinigung als entbehrlich erweisen, so kann
die Destillationskolonne auch umgangen werden (Umgehungsleitung via).
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Vor der Kernschießmaschine erfolgt die Zudosierung des Katalysators
in einer der bekannten Formen, z. B. durch Flüssigdosierung durch Vernebeln. In
dem dargestellten Ausführungsbei spiel ist hierfür eine schußweise Volumendosierung
in der flüssigen Phase mit im Hub h einstellbaren pneumatisch betätigbaren (Ventil
12) Membrankolben 13 vorgesehen, der aus den Vorratabehälter 9 ansaugt. Durch Injektion
in die Mischkammer
4, in die gleichzeitig Trägergas eingeleitet
wird (Ventil 3) gelangen die beiden Komponenten zusammen. Eine andere Möglichkeit
der Zumischung von Katalysator zu Trägergas besteht darin, daß ein Trägergasteilstrom
durch flüssigen Katalysator hindurchgeleitet und so mit Katalysator gesättigt wird.
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Um nach dem Kernaushärten die Poren des Sandformkörpers von Katalysator/Trägergas-Gemisch
freispülen zu können, ist über ein Spülventil 14 eine Anschlußmöglichkeit der Form
5 an ein Druckluftnetz vorgesehen. Die Spülluft kann außerdem aufgrund ihres systemunabhängigen
Wärmeinhaltes zur Steuerung des Wärmehaushaltes des Systems dienen. Die Spülluft
wird wegen der darin enthaltenen Katalysatorreste ebenso wie das Arbeitsgemisch
über die Kältefalle und über die Nachreinigungsstufe schließlich ins Freie geleitet.
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Der erfindungsgemäße Zweck der beschriebenen Verfahrensanordnung ist
kurz folgender: Es muß der Katalysator aus dem Arbeitsgemisch (Kreislaufteil 4,
5, 6, 2) abgeschieden werden, damit das Trägergas eventuell nach einer Nachreinigung
7 umweltverträglich in die Atmosphäre entlassen werden kann. Diese Abscheidung erfolgt
durch eine weitgehende AuskondensGion in der Kältefalle 2, durch die das Arbeitsgemisch
geleitet wird. Zur energiesparenden Aufrechterhaltung des Kältegefälles und der
Kondensationswirkung in der Kältefalle wird diese kaltseitig durch das bewußt in
flüssiger Phase, also in extrem kaltem Zustand bevorratete und ein großes Kältemengereservoir
darstellende
Trägergas durchströmt. Dieses wird dabei, weil es
in der Kältefalle Wärme aufnimmt, vergast. Die Wärme rührt von dem Arbeitsgemisch,
die dieses im Arbeitskreislauf aus der Umgebung aufgenommen hat, und von der Spülluft
her. Notfalls kann in dem Leitungsteilstück zwischen der Kältefalle und dem Ventil
3 eine Heizstrecke 15 vorgesehen sein (strichliert angedeutet).