DE4431560A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Sandformkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum maschinellen Her­ stellen eines Sandformkörpers, insbesondere eines Gießformkerns, aus einem aushärtbaren Kunstharz-Aktivator- Sand-Gemisch, wobei der Aushärte- oder Begasungsvorgang mit Hilfe eines basischen Katalysators - insbesondere eines Amins - durchgeführt wird. Zudem erfaßt die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Derartige Verfahren zur schnellen maschinellen Kernferti­ gung mit kalten Werkzeugen sind als Cold-Box-Verfahren be­ kannt. So werden beispielsweise beim sog. Fastcold- Verfahren ein flüssiger Kunstharzbinder und ein flüssiger Härter getrennt in eine Kernformmaschine gepumpt und - ebenfalls getrennt - mit Quarzsand dispergiert; die Komponenten kommen in einer Reaktionskammer zusammen und werden aus dieser in einen kalten, unbeheizten Kernkasten gepreßt, in dem der Formstoff sofort abbindet.

Mit dem sog. Ashland-Verfahren wird ein Zweikomponentensystem als Binder eingesetzt, das bei Raumtemperatur in Gegenwart eines Katalysators rasch aus­ härtet. Der Binder besteht aus Phenolharz und einem Polyisocyanat als Aktivator, die beide in Lösungsmittel gelöst sind. In Gegenwart eines Katalysators - bevorzugt Triäthylamin (TEA), Dimethyläthylamin (DMEA) bzw. Dimethylisopropylamin (DMIA) - wird die Vernetzungsreaktion des Aktivators so beschleunigt, daß eine Verfestigung in wenigen Sekunden möglich wird. Es verbinden sich die Hydroxyl-(OH)-Gruppen des Phenolharzes mit den Isocyan-(NCO)-Gruppen des Polyisocyanats und bilden auf diese Weise ein festes Polyurethanharz durch Polyaddition. Der Katalysator begünstigt also die Spontaneität der Bildung dieses Kernbinders; ohne Einwirkung des Katalysators würde diese Reaktion mehrere Stunden bis zu einigen Tagen erforderlich werden lassen. Zwar beeinflussen die Katalysatoren die chemische Reaktion, gehen jedoch nicht in sie ein. Die Wirkungsweise beruht im wesentlichen auf einer Elektronenverschiebung.

Für Leichtmetallguß reichen Gesamtbindermengen - Harz und Aktivator - zwischen 0,8 und 1,6% meistens aus. Höhere Zusätze sind schon wegen der Zerfallprobleme nicht angebracht. Für Eisen- und Stahl- sowie Leicht- und Schwer- Metallguß verlieren die Anteile zwischen 1,4 und 2,2%, bezogen auf getrockneten, klassierten Quarzsand AFS 40-60.

Die Binderkomponenten sollten im Verhältnis Binder Aktivator von 1 : 1 oder mit einem Überschuß an Aktivator verwendet werden. Ein Unterschuß von Aktivator führt zu schlecht lagerfähigen, feuchtigkeitsempflindlichen Kernen.

Für das Verfahren sind nahezu alle gebräuchlichen Kernschieß- und Blasmaschinen zur Herstellung und Aushärtung zu gebrauchen bzw. umzurüsten, wenn beachtet wird, daß das Schießzylindervolumen auf den Kernkasteninhalt abgestimmt ist. Zu große Zylindervolumina bedeuten häufiges Durchspülen des Sandes mit Schießluft. Hierdurch geht ein teilweises Verdunsten des Lösungsmittels einher, und die Härtungsreaktion wird behindert. Schießdruck und Verarbeitungszeit der Mischung sind stark abhängig von der Mischungszusammensetzung. Grundsätzlich jedoch bleiben Cold-Box-Sandmischungen je nach Sandtemperatur und eingesetzter Binderkombination etwa 1,5 bis 4 Stunden gut fließfähig, so daß ein Schießdruck zwischen 2,5 und 4,5 kp/cm2 völlig ausreichend erscheint.

Beim Cold-Box-Verfahren können alle vorhandenen Werkzeuge aus Stahl, Gußeisen, Aluminium, Kunststoff und Holz eingesetzt werden. Sie sind jedoch nach Möglichkeit so umzurüsten, daß mit geringsten Katalysatormengen optimale Begasungszeiten erreicht werden können; als Begasung wird der Härtungsprozeß des Sandkerns durch Beduschen mit einem Gas verstanden.

Begasungszeit und Katalysatormenge sind im wesentlichen abhängig von der Mischungszusammensetzung. Der zur Begasung verwendete Katalysatornebel wird in den üblichen Begasungsgeräten erzeugt und sollte so bemessen sein, daß - - bezogen auf das zu verfestigende Kerngewicht - 0,05-0,2% Katalysator zum Einsatz kommen. Mit steigendem Kerngewicht können die Katalysatormengen entsprechend reduziert werden.

Die übliche Begasungsgeräte injizieren eine empirisch ermittelte Aminmenge für den jeweiligen Kerntyp vor dem eigentlichen Begasungszyklus in die Begasungsleitung und spülen mit erwärmter Luft das Amin als Nebel oder Gas durch den Kern. Bei diesem Verfahren verbleiben durch die unzulängliche Vergasung und Systemerwärmung erhebliche Mengen des Amins im Kern und Gasen am Arbeitsplatz des Kernmachers bzw. am Lagerort aus.

Nach Abschluß der Reaktion geht als Katalysator eingesetztes tertiäres Amin unverändert aus dem Prozeß hervor und muß abgeleitet bzw. vernichtet werden, da es hygroskopische Eigenschaften hat. Für die Entsorgung abgesaugten Amins bieten sich als Verfahren die - heute zumeist eingesetzte - Neutralisation durch Säurewäscher an oder aber ein Nachverbrennen, ein Absorbtionsverfahren oder eine biologische Aufbereitung durch Mikroorganismen.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, die Begasung zu verbessern sowie die Entsorgung des Amins zu vereinfachen.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Patentanspruches, die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an.

Erfindungsgemäß wird der Katalysator - insbesondere das Amin - während des Begasungsvorganges unter Reduzierung des Strömungsquerschnittes und gleichzeitiger Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bei Druckminderung gleichmäßig in den Luftstrom eingebracht; der Amineinsatz wird auf diese Weise drastisch gesenkt. Anschließend werden durch eine Querschnittserweiterung wieder die ursprünglichen Verhältnisse hergestellt. Dank dieser Maßgaben kann die Konzentration des Amins in Abhängigkeit vom möglichen Luftdurchsatz durch das Kernformwerkzeug variiert werden.

Dieses Verfahren führt zu Verbrauchseinsparungen und somit zu einer Reduzierung der Entsorgungskosten, welches gleichzeitig auch weniger Umweltbelastung bedeutet.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Saugdüse erfolgt in diesem feinste Verteilung des Amins (DMEA/DMIA/TEA) im Luftstrom, wodurch weniger Energie zur nachfolgenden Vergasung im Durchflußerhitzer benötigt wird.

Als weiterer Vorzug dieser Vorgehensweise ist anzusehen, daß eine Dosierpumpe nicht benötigt wird, so daß keine Verschleißteile im Dosiersystem angegriffen werden können.

Eine Verbrauchsmessung ist durch die auf Genauigkeitsanforderungen abgestimmten Durchflußmeßsysteme jederzeit möglich.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispieles sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 die Frontansicht eines teilweise geöffneten Schaltschrankes für einen Begasungsautomaten;

Fig. 2 ein Schaltbild für den Begasungsautomaten.

In einem Schaltschrank 10 für einen Begasungsautomaten ist gemäß Fig. 1 einem Druckluftanschluß 12 einer Druckluftleitung 14 ein Filter 16 nachgeschaltet, diesem ein Härtedruckregler 17 sowie ein Rückschlagventil 18. Letzterem folgt im Schaltschrank 10 ein Dosiergerät 19 vor einem Erhitzer 20, von dem eine Leitung 22 zu einem aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten Kernformwerkzeug mit Sandgemisch führt.

Dem Dosiersystem 19 sind seitlich ein Rückschlagventil 24 sowie ein 2/2-Wege-Ventil 25 in einer Zweigleitung 26 zugeordnet. Außerdem ist neben dem Dosiersystem 19 ein Vorratsbehälter 28 zu erkennen, dessen Bodenteil 29 mittels einer ein Handabsperrventil 30, einen Filter 31 und ein 2/2-Wege-Magnetventil 32 aufweisenden - Bodenleitung 34 an das Dosiersystem 19 angeschlossen ist. Zwischen dieser Bodenleitung 34 und dem oberen Ende einer am Vorratsbehälter 28 seitlich erkennbaren Behälterfülleitung 36 findet sich eine Leermelde-Einrichtung 38, deren Leitung 39 an einer Befüllkupplung 40 - unterhalb eines Dreiwegehahns 42 für die Druckbeaufschlagung und die Entlüftung - endet. Dem Vorratsbehälter 28 ist ein Sicherheitsventil 44 zugeordnet. Bei 46 sind zudem zwei 3/2-Wege-Magnetventile angedeutet.

Ein Schaltaufsatz 11 des Schaltschrankes 10 bietet oberhalb eines Hauptschalters 48 und zweier ihn flankierender Schalter 49 bzw. 50 für Start bzw. Stop noch Anzeigen 52, 53, 54 für die Leerstellung des Behälters, den Spülvorgang bzw. das Begasen an. Darüber finden sich ein Temperaturregler 56 und Stellelemente 57, 58 für Spül- bzw. Begasungszeit.

In Fig. 1 nicht wiedergegeben sind Anzeigeeinrichtungen für Sollwerte von Härtedruck und Spüldruck sowie deren Istwerte.

Beim Schaltbild der Fig. 2 ist am Härtedruckregler 17 - dem in der Druckluftleitung 14 in Strömungsrichtung x ein Manometer 60 folgt - seitlich eine Schaltungsgruppe 62 zur Durchführung eines 2-Stufen-Druckaustrages an der Zweigleitung 26 skizziert. Dort ist zwischen einem Druckregler 44a und einem hier mit V3 bezeichneten 3/2- Wege-Magnetventil ein Anzeigefeld 64 für den Begasungsdruck sowie - parallel dazu - zwischen einem anderen Druckregler 44b und einem 3/2-Wege-Magnetventil V4 ein Anzeigefeld 65 für Spülluftdruck dargestellt. Die Ventile V3, V4 sind mittels anwählbarer Leitungen 26a, 26b an jenen Härtedruckregler 17 angeschlossen.

Magnetventile V1 und V2 in der Bodenleitung 34 flankieren vor dem Filter 31 eine Flüssigkeitsdrossel 68 mit Anzeige, die in der Bodenleitung 34 eine Saugdüse bildet. In Strömungsrichtung x folgt dem zweiten Ventil V2 noch ein Rückschlagventil 18 vor einem Injektor des Erhitzers 20.

Der Flüssigkeitsdrossel 68 ist - wie oben beschrieben - der Vorratsbehälter 28 vorgeschaltet, über dessen Deckelteil 72 eine von diesem ausgehende Kopfleitung 74 über einen Drei-Wege-Hahn 42 in eine - von der Druckluftleitung 14 ausgehende - Entlüftungsleitung 76 mündet.

Mit der beschriebenen Anlage wird dem Kernformwerkzeug die gewünschte Gasmischung zugeleitet.

Durch die beschriebene Kompaktbauweise ist eine gute Zugängigkeit zu allen Bauteilen gegeben, auch ist ein Anschluß an eine Zentralversorgung möglich.

Als Steuerung kann alternativ

• - Schützensteuerung;
• - SPS mit oder ohne Bedien- und Beobachtungspanel, sowie mit
• - elektronischer Kompaktsteuerung mit Textdisplay

eingesetzt werden. Aminmangel wird serienmäßig durch die Steuerung gemeldet.

Die Aufbereitung der Sandmischung kann in praktisch allen üblichen Mischaggregaten vorgenommen werden. In der Regel wird zunächst ein Binder vorgegeben und anschließend ein Aktivator zugemischt. Eine andere Reihenfolge bzw. die gleichzeitige Zugabe der zwei Komponenten bleibt ohne Nachteile.

Die Mischzeit ist einerseits kurz zu halten, um die Lebenszeit der Mischung nicht negativ zu beeinflussen - Einwirkung von Luftfeuchtigkeit sowie Erwärmung durch Reibung und Verdunstung des Lösungsmittels -, andererseits sollte eine ausreichend innige Vermischung vorgenommen werden, um eine optimale Binderausnutzung zu erreichen.

Je nach Mischaggregat leicht eine Mischzeit von insgesamt 100 bis 250 sec. aus. Als Sand sollten bevorzugt gute, gewaschene, getrocknete, klassierte Quarzsande mit hohem SiO₂-Gehalt ausgewählt werden oder Zirkon-, Chromit- und Olivinsande. Auch ist der Zusatz von mechanisch bzw. thermisch regenerierten Altsanden nach einem Cold-Box- Verfahren möglich, wenn diese auf die spezifischen Umstände abgestimmt sind.

Claims (6)

1. Verfahren zum maschinellen Herstellen eines Sandformkörpers, insbesondere eines Gießformkerns, aus einem aushärtbaren Kunstharz-Aktivator-Sand-Gemisch, wobei der Aushärte- oder Begasungsvorgang mit Hilfe eines basischen Katalysators, insbesondere eines Amins, durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator während des Begasungsvorganges unter Reduzierung des Strömungsquerschnittes und gleichzeitiger Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bei Druckminderung gleichmäßig in den Begasungsstrom eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der Reduzierung des Strömungsquerschnitts die zuvor bestehenden Verfahrensverhältnisse wieder hergestellt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Förderstrom für den Katalysator zumindest eine Saugdüse (68) eingefügt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beidseits der Saugdüse (68) jeweils ein Ventil (V1, V2) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugdüse (68) in Strömungsrichtung (x) vor einem Injektor (70) eines Erhitzers (20) vorgesehen ist.

6. Verwendung einer Saugdüse oder Durchflußdrossel (68) zur Einleitung eines basischen Katalysators, insbesondere eines Amins, in ein aushärtbares Kunstharz-Aktivator-Sand-Gemisch für das maschinelle Herstellen einer Gießform.