DE3614397A1

DE3614397A1 - Verfahren zum vermindern von emissionen, insbesondere von kohlenwasserstoff-verbindungen, beim giessen von metallen

Info

Publication number: DE3614397A1
Application number: DE19863614397
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Caspers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-04-28
Filing date: 1986-04-28
Publication date: 1987-10-29

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermindern von Emissionen, insbesondere von Kohlenwasserstoffverbindungen, beim Gießen von Metallen nebst Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens, wobei das Metall als vorbehandelte Gußei senschmelze in eine aus Sand und einem Bindemittel be stehende Gießform eingießbar ist.

Es ist bekannt, daß die Herstellung von Teilen aus Eisen guß, wie GGL (Gußeisen-Lamellen-Graphit) und GGG (Gußei sen-Kugel-Graphit) in modernen Fertigungsverfahren vielfach durch komplizierte Form- und/oder Kernsysteme gekennzeich net ist, die insbesondere in der Serienfertigung hinsicht lich Fertigungsablauf, Arbeitssicherheit und Umweltbelas tung vielschichtige Probleme aufwirft (vgl. Zeitschrift "Staub-Reinhaltung Luft" 41 1981, Nr. 11, S. 421/424 und "Luft" 43, 1983, Nr. 9, S. 367/371).

Auch ist es bekannt, daß aufgrund von Temperaturunter schieden zwischen Form-/ Kernsystem und dem flüssigen Ei sen vom Formstoff in kürzester Zeit große Wärmemengen auf genommen werden. Besonders in den Oberflächenschichten der Formen und Kerne kommt es zu einer schnellen Temperatur steigerung bis ca. 1100°C. Dabei dient ein Teil der Wär me bei Anwesenheit von Luftsauerstoff in dem Gießform-/ Kernsystem zur Verbrennung, Spaltung, Vercrackung und Ver gasung der kohlenstoffhaltigen Formsandzusätze und der Kunstharzsubstanzen und Härter der Kernbindestoffe sowie des Wassers. Während des Gießvorganges werden demzufolge große Mengen an schadstoffhaltigen Gießgasen gebildet und freigesetzt.

Allein in der Bundesrepublik Deutschland kommen heute etwa 85000 t/Jahr an Kohlenstoffträgern als Zusatz zum Form stoff (sogen. Naßgußsand) zum Einsatz mit hohem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen (35-50%). Daraus folgt, daß ca. 30000 t Kohlenwasserstoffverbindungen bei dem Gießprozeß freigesetzt werden, wobei vor allem große Mengen an Ben zol, Phenol, Toluol, Kresol, Naphthalin u.a., entstehen und mit der Abluft in die Umgebungsatmosphäre gelangen, vgl. Staub-Reinhaltung Luft 41).

Es wurde bereits versucht, durch neuartige Kohlenstoffpro dukte als Zusatz zu tongebundenen Gießereiformsandmassen diesem Problem zu begegnen. Leider stehen die hiermit ver bundenen, technologischen Nachteile hinsichtlich Güte der Gußteiloberflächen, Sandaustrag in die Gußputzerei, Auf treten von Sandausdehnungsfehlern und größeren Zugabemen gen einer breiten Anwendung entgegen.

Die in dieser Untersuchung genannten Vorteile werden durch die in der Praxis erforderlichen größeren Zugabemengen zum großen Teil wieder aufgehoben, (vgl. DE-PS 32 46 324).

Schon früher wurde versucht Metallschmelzen in Sandformen unter Schutzgasatmosphäre auf kunstharzgebundenen Sandfor men zu vergießen, (vgl. DE-AS 25 29 392), was jedoch in dieser einfachen Ausführung nur an Standbahnen möglich war. Die heutigen Formanlagen mit Taktzeiten 10-70 Sek. verlangen gerade im unteren Bereich 60 Sek. eine entspre chend ausgestaltete Einrichtung.

Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine Vorrich tung zur Durchführung desselben dahingehend weiterzubil den, daß durch diese möglich wird, die Zugabemenge von be kannten Kohlenstoffträgern (z. B. Steinkohlenstäuben, Har ze, Peche, Öle, Bitumen, Kunststoffe) als Zusatz zum soge nannten Naßgußsand zu senken und zudem, unabhängig von der Beschaffenheit des Formstoff-/Kernsystems, den Gasaus stoß, der einen hohen Gehalt an Schadstoffen enthält, so wohl während als auch kurz nach dem Gießprozeß um ca. 35% abzubauen.

Darüber hinaus soll auch die Verstaubung des Kreislauf sandsystems sowie die bei der Erstarrung und Abkühlung der Gußteile in den tieferen Formstoffschichten je nach dem Sand- zu Gußverhältnis ablaufende Pyrolyse der Formstoff zusätze und Kernbinder gemindert werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe verfahrensmäßig da durch gelöst, daß die Gußeisenschmelze einen hohen Rein heitsgrad und Keimzustand, wie auch eine kleine Unterküh lungsneigung und entsprechende, chemische Zusammensetzung (Liquidustemperatur) aufweist, und diese Schmelze mit ei ner um 50-100°C niedrigeren Gießtemperatur in Gießfor men unter Schutzgasatmosphäre eingießbar ist, sowie der Gießvorgang in seriengemäßer aufeinander Folge einer Serienfertigung abläuft.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens vor dem Eingießen der Gußeisenschmelze in die Gießform eine reduzierende Atmos phäre in dieser eingestellt wird und zwar in der Weise, daß als Schutzgas ein Kohlendioxyd (CO₂) in die Gießform eingebracht wird, mit dem der in der Gießform sich befin dende Luftsauerstoff aus der Gießform verdrängt wird.

Die Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Ver fahrens beinhaltet mindestens eine Gießform aus Formsand mit einen diesem Sand zugesetzten Bindemittel, wobei diese Gießform auf einer Gießstrecke mit insbesondere automa tisch arbeitender Formanlage aufsetzbar ist, und die sich dadurch auszeichnet, daß mindestens entlang eines Teilab schnittes der Gießstrecke eine Kohlendioxyd (CO₂)-Befül lungseinrichtung für die Gießformen installiert ist, und daß diese in Verbindung mit individuell gestalteten Ent weichungskanälen für die in der Gießform sich befindenden Luft eine Gasspülung der Gießform vor und während des Gießvorganges bei gleichzeitiger Oberflächenkühlung ermög licht, wie auch das Gußeisen vor Oxydation schützt.

Eine weitere Weiterbildung dieser Vorrichtung besteht da rin, daß entlang der Gießstrecke, mindestens oberhalb des selben, Zündbrenner zum Abfacheln der während des Gießvor ganges die Gießformen verlassenden, schadstoffhaltigen Gießgase vorgesehen sind.

Durch diese Maßnahmen wird nicht nur die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe vorteilhaft gelöst, sondern es werden weitere, wesentliche Vorteile erzielt. So ist es beispielsweise möglich, den Gießvorgang mit niedrigerer Gießtemperatur (50-100°C) als gegenüber normal herge stelltem Gußeisen durchzuführen, wodurch eine längere Tem peraturbelastung der Gießform vermieden wird. Auch wird durch das Einleiten des Kohlendioxydes (CO₂) in das Form und Kernsystem nicht nur der dort sich befindende Luftsau erstoff verdrängt, sondern es werden durch diese Gas spülung sofort bei Gießbeginn reduzierende Bedingungen im Form-/Kernsystem geschaffen, und es wird die Entwicklung der schadstoffhaltigen Gießgase stark vermindert. Da vor allem in den oberflächennahen Schichten keine sehr schnelle und hohe Aufheizung mehr vorliegt und auch keine Oxydation stattfinden kann, wird sowohl der erste Gasstoß als auch die später bei der Erstarrung und Abkühlung der Gußteile einsetzende Pyrolyse einen günstigeren Verlauf erhalten.

Es wurde festgestellt, daß mit diesem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung Einsparungen an den bekannten Kohlenstoffträgern von 15 bis 40% der sonst üblichen Zu gabemengen möglich sind. Auf diese Weise werden die Emis sionen der umweltschädigenden Substanzen drastisch herab gesetzt und gleichzeitig wirtschaftliche Vorteile erzielt. Mit dieser primären Umwelt- und Arbeitsschutzmaßnahme sind außerdem technologische Vorteile bezüglich der Vermeidung von Gußfehlern vorhanden, wodurch die Eigenschaften der Gußteile verbessert werden.

In den Zeichnungen ist eine der möglichen Vorrichtungen zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens schema tisch dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 Eine Ansicht auf eine Gießstrecke mit zwei auf ei ner Förderanlage aufgelegten Gießformen und die Vorrichtung zum Einbringen des Schutzgases vor Ar beitsbeginn,

Fig. 2 eine Ansicht auf die Gießstrecke nach Fig. 1 mit der Vorrichtung im Einsatz,

Fig. 3 eine Ansicht auf die Gießstrecke im Zeitpunkt des Eingießens der Metallschmelze,

Fig. 4 eine Ansicht auf die Gießstrecke nach Fig. 3 und gleichzeitigen Abfackelns der Gießgase,

Fig. 5 eine Ansicht auf eine die Gießstrecke mit Schutz gas versorgenden Einrichtung in Frontansicht,

Fig. 6 eine Ansicht auf die Einrichtung nach Fig. 5 in Seitenansicht, und

Fig. 7 ein Diagramm eines Gießvorganges mit in diesem aufgetragenen Kurven für Aufheizungen der Gieß formen im Bereich der Formoberflächen für ohne und mit das Verfahren nutzenden Metallgüssen.

Das Verfahren zum Gießen von Metallen, insbesondere Grau gußschmelzen, gemäß der Anmeldung baut auf einer Schmelze auf, die vorzugsweise nach dem in der DE-PS 26 53 341 und DE-OS 25 08 252 beschriebenen Verfahren hergestellt und dem ansschließenden Gießvorgang zugeführt worden ist. Die ses Gießverfahren zeichnet sich besonders dadurch aus, daß eine Schmelze mit hohem Schrottanteil (60 u. m. %) in ei nem Kupolofen erstellt und ansschließend diese Schmelze in einer Behandlungsrinne einer Desoxydation nebst Keimbil dung durch Zufügung von Elektrodengraphit unterzogen wird, wodurch dieser Schmelze eine außerordentlich hohe Homoge nität verliehen wird, die wesentlich zur Steigerung der Gußqualität beiträgt.

Diese Gußeisenschmelze wird anschließend einer Gießstrecke 1 zugeführt, wo in bereitgestellte Gießformen 2 eingegos sen werden kann.

Um einerseits die hohe Qualität der Gußeisenschmelze nicht zu beeinträchtigen und andererseits diese lunkerfrei und ohne Einschluß von Verunreinigungen abgießen zu können, werden die auf einer Gießstrecke 1 sich befindenden Guß formen 2, welche aus Sand mit einem Bindemittel (z. B. Kunststoff) hergestellt sind, gastechnisch vorbehandelt, und es wird die Schmelze selbst unter Schutzgasatmosphäre in die Gießform eingebracht. Für das Aufbauen der Schutz gasatmosphäre ist eine besondere Einrichtung 10 nebst Füllstempeln 11 vorgesehen.

Als Schutzgas hat sich hier Kohlendioxyd (CO₂) außeror dentlich gut bewährt, und es wird nach dem erfindungsge mäßen Verfahren dieses Kohlendioxyd über in der Gießform 2 vorgesehenen Kanäle in diese eingebracht. Die Kanäle für das Kohlendioxyd sind in der Gießform 2 derart einge bracht, daß sie sowohl die Einbringung des Schutzgases einfach ermöglichen, als auch die in der Gießform sich be findende Atmosphäre (z. B. Luft) aus dieser Form austreten lassen (Gasspülung).

Die beim Austritt der Atmosphäre aus der jeweiligen Guß form 2 mit entweichenden, schadstoffhaltigen Gase, insbe sondere aus der Verbrennung der kohlenwasserstoffhaltigen (kunststoffhaltiges Bindemittel) entweichende Gase 3 wer den entlang der Gießstrecke 1 abgefackelt.

Für das Abfackeln der die Gießformen 2 verlassenden schad stoffhaltigen Abgase 3 sind Brenner entlang der Gieß strecke 1 angeordnet, und es sind diese dort so vorge sehen, daß sie den Bereich der Trennebene 4 der Gießformen 2 deren Unter- und Oberseite 5, 6 erreichen. Solche Zünd brenner für das Abfackeln der Gase 3 können auch an der Abkühlzone der Gießstrecke 1 vorgesehen sein, weil schad stoffhaltige Gase nicht nur während des Eingießens der Gußeisenschmelze aus den Gießformen entweichen, sondern dies auch während der Kühlphase tun.

Die Einbringung des Schutzgases, in diesem Fall des Koh lendioxydes (CO₂) bewirkt auch eine Abkühlung der Oberflä che der einzelnen Giesform 2 und damit auch des Gasraumes, was sehr deutlich in dem Diagramm, gemäß Fig. 7, darge stellt ist. In diesem Diagramm sind die Kurven der Aufhei zung der einzelnen Gießformen 2 in einem Bereich von etwa 4 mm tief aufgetragen.
Das heißt, die Temperaturmessung an der Gießform 2 erfolgt während des Eingieß- und Abkühlvorganges in einer Zone von etwa 4 mm unter der Oberfläche der jeweiligen Gießform.

Aus dem Diagramm wird auch ersichtlich, daß bei der Kurve A ohne Einfüllung des Kohlendioxydgases ein wesentlich höherer Temperaturablauf als bei der Kurve B mit Kohlendi oxydgas sich einstellt. So erfolgte bei der Kurve A das Eingießen der Schmelze bei einer Temperatur von 1480°C, während das Eingießen der gleichen Schmelze gemäß der Kur ve B bei einer Gießtemperatur von 1400°C mit Kohlendi oxydgas möglich war.

Diese Temperaturunterschiede, die sich durch die Anforde rung des Kohlendioxydgases ergeben, sind für den Prozeß verlauf auch insofern interessant, als die Gießform 2 bei geringerer Temperatur auch mit einer geringeren Schad stoffentwicklung einher geht.

Dies hat auch zur Folge, daß aufgrund dieses Temperatur verlaufes einerseits und einer sehr guten Impfung der Schmelze mit arteigenen Graphitkeimen und Desoxidation nebst Entgasung und hohen Flexibilität andererseits die einzuhaltenden Kohlenstoffgehalte festgestellt und so weitgehend Selbstspeisung des Gußeisens vorliegen kann.

Claims

1. Verfahren zum Vermindern von Emissionen, insbesondere von Kohlenwasserstoff-Verbindungen, beim Gießen von Me tallen, wobei das Metall als Gußeisenschmelze in Gieß formen aus Sand mit einem Bindemittel, wie plastifizier tem Kunststoff oder Tonmineral eingießbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenschmelze einen hohen Reinheitsgrad und Keimzustand, wie auch eine kleine Un terkühlungsneigung und entsprechende, chemische Zusam mensetzung (Liquidustemperatur) aufweist, und diese Schmelze mit einer um 50-100°C niedrigeren Gießtempe ratur in Gießformen unter Schutzgasatmosphäre eingießbar ist, sowie der Gießvorgang in seriengemäßer aufeinander Folge einer Serienfertigung abläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens vor dem Eingießen der Gußeisenschmelze in die Gießform eine reduzierende Atmosphäre in dieser einge stellt wird und zwar in der Weise, daß als Schutzgas ein Kohlendioxyd (CO₂) in die Gießform eingebracht wird, mit dem der in der Gießform sich befindende Luft suerstoff aus der Gießform verdrängt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Einbringung des Kohlendioxydes (CO₂) in die Gießform auch eine Kühlung der Oberfläche der Gießform erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reduzierende Atmosphäre in der Gießform auch wäh rend des Gießvorganges fortgesetzt wird.

5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den An sprüchen 1-4, wobei die Gießformen aus einem Formsand mit einem diesen haltenden Bindemittel gebildet sind, und diese Gießformen auf einer Gießstrecke mit insbe sondere automatisch arbeitender Formanlage aufsetzbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens entlang eines Teilabschnittes der Gießstrecke eine Kohlendioxyd (CO₂)-Befüllungseinrichtung für die Gießformen in stalliert ist, und daß diese in Verbindung mit indivi duell gestalteten Entweichungskanälen für die in der Gießform sich befindenden Luft eine Gasspülung der Gießform vor und während des Gießvorganges bei gleich zeitiger Oberflächenkühlung ermöglicht, wie auch das Gußeisen vor Oxydation schützt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Gießstrecke, mindestens oberhalb der selben, Zündbrenner zum Abfacheln der während des Gieß vorganges die Gießformen verlassenden, schadstoffhal tigen Gießgase vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß solche Zündbrenner auch an einer Abkühlzone der Gießstrecke vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündbrenner in zwei Ebenen (Formunterteilebene, Teilungsebene) der Gießformen vorgesehen und dort ge geneinander versetzt, angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gießform mindestens einen zentralen Füllstut zen für das Einbringen des Schutzgases (Kohlendioxyd CO₂) und mindestens einen ins Freie mündenden Kanal für den Austritt der verdrängten Luft aufweist.