EP0475548B1 - Verfahren zum Umhüllen von körnigen, mineralischen Materialien mit Kunstharz - Google Patents

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EP0475548B1
EP0475548B1 EP91250241A EP91250241A EP0475548B1 EP 0475548 B1 EP0475548 B1 EP 0475548B1 EP 91250241 A EP91250241 A EP 91250241A EP 91250241 A EP91250241 A EP 91250241A EP 0475548 B1 EP0475548 B1 EP 0475548B1
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EP
European Patent Office
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synthetic resin
resin
melting
hot
coating
Prior art date
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EP91250241A
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English (en)
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EP0475548A1 (de
Inventor
Franz Dipl.-Chem. Baumgartner
Franz Grothe
Hans-Ulrich Schubert
Hermann Theilen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huettenes Albertus Chemische Werke GmbH
Original Assignee
Huettenes Albertus Chemische Werke GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C5/00—Machines or devices specially designed for dressing or handling the mould material so far as specially adapted for that purpose
    • B22C5/04—Machines or devices specially designed for dressing or handling the mould material so far as specially adapted for that purpose by grinding, blending, mixing, kneading, or stirring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C1/00—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds
    • B22C1/16—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents
    • B22C1/20—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of organic agents
    • B22C1/22—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of organic agents of resins or rosins
    • B22C1/2233—Compositions of refractory mould or core materials; Grain structures thereof; Chemical or physical features in the formation or manufacture of moulds characterised by the use of binding agents; Mixtures of binding agents of organic agents of resins or rosins obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • B22C1/2246—Condensation polymers of aldehydes and ketones
    • B22C1/2253—Condensation polymers of aldehydes and ketones with phenols

Definitions

  • the invention relates to a method for coating granular, mineral materials, such as quartz sand, zircon sand, chrome ore sand, chamotte or also corundum with a hardenable synthetic resin shell.
  • granular, mineral materials such as quartz sand, zircon sand, chrome ore sand, chamotte or also corundum with a hardenable synthetic resin shell.
  • Such coated, granular minerals are used in foundries as molding material for the production of mask shapes using the croning process.
  • the synthetic resin dissolved in a solvent is fed together with an appropriate hot hardener to a mixer in which the granular mineral to be coated is located.
  • warm air is blown into the mixer to drive off the solvent from the resin solution.
  • clods form, which slowly dissolve as the mixing process continues and separate into coated grains.
  • the mineral to be coated is heated in a heater well above the melting point of the synthetic resin and then fed to a mixer.
  • the resin is fed in simultaneously or with a short delay.
  • the amount of heat in the mineral causes the synthetic resin to melt slowly while mixing.
  • the mineral is only coated when the synthetic resin has melted sufficiently low viscosity.
  • the temperature of the batch is lowered to avoid pre-hardening.
  • the distribution of the hot hardener within the synthetic resin film is no longer optimal.
  • the coated mineral is separated by further lowering the temperature while simultaneously mixing.
  • the mineral material to be coated has to be heated up relatively high, i.e. to temperatures between 130 and 170 ° C, so that the amount of heat required to melt the mixed solid synthetic resin is stored in the mineral and is available through heat transfer.
  • Another disadvantage is the long cooling times resulting from the high mixing temperature.
  • Obvious advantages of this method are the total saving of the expenditure otherwise required in the production of the synthetic resin for its transformation into a solid state, and the energy saving for the necessary remelting of the synthetic resin in the coating process. Furthermore, according to this method, it is sufficient to heat the material to be coated only slightly above the melting point of the synthetic resin, since it is not necessary to supply melt energy from the material. The lower mixing temperature advantageously results in shorter cooling times for the coated mineral.
  • thermal energy must be added to the resin stored in the transport or storage containers in order not to let its temperature drop.
  • the invention has for its object to provide a hot coating method which also works with the addition of hot liquid synthetic resin to the mineral material to be coated, but eliminates the disadvantages of the prior art in that it allows a quick change of the synthetic resin types to be processed, that self-reactive synthetic resins can be used, and that it is generally more practical and less expensive.
  • the hot liquid synthetic resin being produced by melting solid synthetic resin only shortly before it is added to the mineral material.
  • short is to be understood in the sense of the invention in such a way that the resin after melting does not store for a certain period of time for storage purposes, but is fed directly to the coating process, possibly with the interposition of a conditioning stage, i.e. it is only melted in a relatively small amount, which is necessary for the continuous continuation of production.
  • the temperature of the synthetic resin melt can be adjusted to low, medium or high viscosity by appropriate temperature control.
  • Another advantage of the method according to the invention is that self-reactive synthetic resin systems can be used, since the thermosetting crosslinking which is undesirable in the coating process can only take place in an insignificant order of magnitude due to the relatively short period in which the resin temperatures are in the critical range for this.
  • the invention saves the entire expense of the process according to GB-PS 1 563 686 with regard to the transport and storage of the hot-liquid synthetic resin.
  • the solid synthetic resin is melted within the time of a mixing cycle and in an amount required for the next batch of mixer.
  • the resin is processed in the form of pastilles, flakes, broken resin, dust or lumpy mixed resin. These are bulk goods with low density and poor thermal conductivity. These properties of the melting material prevent the rapid melting process required for realizing the invention. To solve this problem, the options for a rapid melting of the required amount of resin, which can be seen from subclaims 3 to 7, are proposed in a further embodiment of the invention.
  • the resin for example in the form of flakes, is fed into a metering screw 1 which conveys it into a double screw 2 heated between 120 and 150 ° C.
  • a metering screw 1 which conveys it into a double screw 2 heated between 120 and 150 ° C.
  • the Liquefaction of the resin is supported by the pressure generated.
  • This intermediate container 3 is designed so that it can hold about four to five times the amount of resin required for a batch of mixer. It serves to compensate for the fluctuating melting performance of the twin screw 2. It can usefully be used in addition for the post-modification of the resin melt by adding additives 6, e.g. Hot hardeners. In order to distribute the additives 6 evenly in the melt, the intermediate container 3 is equipped with an agitator 7.
  • a piston pump 8 conveys the melt from the intermediate container 3 into a metering cylinder 4, which doses the amount of resin melt required for a mixer batch into the mixer 5.
  • the melting process is carried out here on a heated roller 10. Their use is limited to smaller coating plants because the melting capacity is relatively low. The large surfaces have an oxidative influence on the melt and possibly also cracking. The self-cleaning Properties are very low in comparison to the twin screw 2 used in the previous exemplary embodiment.
  • the following units correspond to the process of the flow diagram according to FIG. 1.
  • the amount of resin required for a batch of mixers is weighed out on a balance 12 and fed to a microwave melting furnace 11, i.e. only the amount of resin that is required for the next coating process is melted.
  • the resin is melted in the presence of a sufficient amount of water, which acts as an "energy transfer medium".
  • the units downstream of the microwave melting furnace 11 correspond to those of the preceding examples, so that they are not explained again here.
  • microwave melt heating in an induction furnace is also possible.
  • a mixture of metal balls and resin is passed through an induction reactor. After passing through the reactor, the melt produced is separated from the metal balls and fed to the casing. The metal balls run back into the melting process.
  • the novolak-type phenolic resin is produced in a plant suitable for the production of such resins.
  • the ratio of phenol to formaldehyde is set at 1: 0.83, and an aqueous HCl solution is used as the catalyst.
  • the resin melt is passed over a chill roll for assembly / scaling.
  • This high-melting novolak is particularly well suited for the production of coated sands for cast aluminum.
  • the properties of the resin stand in the way of a high-quality coating using the coating methods known to date.
  • the data of the hot wrapping (column a) in relation to the strengths are to be equated with that of the wrapping process in columns c and d.
  • the residual solvent content in the resin shell has an undesirable influence on the melting point downwards, which cannot be brought into line with the melting points of the other coating methods even by higher coating temperatures.
  • the residual solvent content in the resin casing also has a negative impact on the rolling behavior.
  • the hot coating (column b) is completely unsuitable due to the poor melting behavior of the resin type used and the high sand temperature required as a result.
  • phenol and formaldehyde are reacted in a ratio of 1: 0.5 using zinc acetate. After the reaction has taken place, the excess of free phenols is reduced as far as possible by suitable processes and the resin melt is dewatered to about 125 ° C. under reduced pressure before the melt is fed to a cooling roller and cooled, as already described under 1.
  • the IR spectrum of the resin shows that it is a pure o-o'-novolak. If such a novolak is kept at the melting temperature for a long time, or if the resin is heated to temperatures which exceed the above-mentioned 125 ° C., the structure of the resin changes and the desired properties are lost.
  • This highly reactive novolak is suitable for the production of coated sands, which should meet short cycle times in the core production.
  • the attached Table 2 shows the effect of the individual coating processes on the mechanical properties of the sand coated with this resin.
  • the hot coating shows satisfactory strength values, which are achieved at the expense of the known disadvantages.
  • the rolling behavior is completely unsatisfactory (column a).
  • the wrapping according to the method according to the invention runs optimally.
  • a pre-reaction can be ruled out by suitable temperature control and only brief exposure to the temperature of the melt.
  • resins that change their structure much faster than the resins mentioned under point 2 when exposed to temperature and thus also lose the desired properties.
  • Such resins are usually characterized by a low melting point or by low melt viscosities.
  • the resin Supraplast (product name for resins from the company SWC Neu-Ulm) is an example of a solid resole.
  • the preparation of benzyl ether resins is described in DE-PS 1 583 521 and 1 720 204.
  • the hot coating is not a suitable coating method for such resins, even with gentle temperature control, since the mechanical properties of the coated sands are reduced too much.
  • a stock of such resins as a melt according to GB-PS 1 563 686 is automatically prohibited due to the self-reaction.
  • the minerals can be coated almost without problems.
  • Resoles can be used to heat minerals without any problems. With this method, it is only a question of the exact presetting of the resol properties.
  • Resoles can be used for hot coating, but due to the high temperature control in the mixer - because only then can the resol be added - are accompanied by large uncertainty factors that require a considerable amount of measurement, regulation and control effort from the system to compensate. Despite such measures, quality fluctuations in the finished product can be identified during ongoing production and are not infrequently the cause of complaints.
  • the method according to the present invention enables the addition of resoles in the coating mixer itself, but also allows a targeted mixing and pre-reaction of resole and novolaks and / or other modifiers in the melting unit or in the storage container 3 (see FIGS. 1 and 2) perform. Exact temperature control through the available direct or indirect heating is possible, as is timing of the pre-reaction. On an increase in mineral temperature with everyone

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ummanteln von körnigen, mineralischen Materialien, wie zum Beispiel Quarzsand, Zirkonsand, Chromerzsand, Schamotte oder auch Korund mit einer härtbaren Kunstharzhülle. Derartig umhüllte, körnige Mineralien kommen in Gießereien als Formstoff zur Herstellung von Maskenformen nach dem Croning-Verfahren zur Anwendung.
  • Bisher sind im wesentlichen zwei Umhüllungs-Verfahren praktiziert worden, nämlich das Warm- und das Heißumhüllungsverfahren.
  • Bei der sogenannten Warmumhüllung wird das in einem Lösungsmittel gelöste Kunstharz zusammen mit einem entsprechenden Heißhärter einem Mischer zugeführt, in dem sich das zu umhüllende körnige Mineral befindet. Während des Mischvorganges wird Warmluft in den Mischer eingeblasen, um das Lösungsmittel aus der Harzlösung auszutreiben. Nach einer zähflüssigen, teigigen Zwischenphase bilden sich Schollen, welche sich während der Fortführung des Mischvorganges langsam auflösen und zu umhüllten Körnern vereinzeln.
  • Mit diesem Verfahren ist eine sehr gleichmäßige Ummantelung des körnigen Minerals erreichbar. Wegen seiner Nachteile, zu denen neben der langen Mischzeit vor allem das in großer Luftverdünnung anfallende Lösungsmittel und die damit erforderlich werdende, kostenaufwendige Abluftreinigung (Kühlfallen, Biowäscher, Nachverbrennung etc.) zählen, wurde es weitestgehend vom Heißumhüllungsverfahren abgelöst.
  • Bei diesem Verfahren wird das zu umhüllende Mineral in einem Erhitzer deutlich über den Schmelzpunkt der Kunstharze erwärmt und dann einem Mischer zugeführt. Gleichzeitig bzw. mit kurzer Verzögerung führt man das Kunstharz zu. Die im Mineral befindliche Wärmemenge bewirkt ein langsames Aufschmelzen des Kunstharzes bei gleichzeitigem Vermischen. Eine Umhüllung des Minerals erfolgt erst, wenn das Kunstharz ausreichend niedrigviskos aufgeschmolzen ist. Bevor nun ein Heißhärter zugeführt werden kann, wird die Temperatur des Gemenges abgesenkt, um eine Vorhärtung zu vermeiden. Allerdings ist danach die Verteilung des Heißhärters innerhalb des Kunstharzfilmes nicht mehr optimal. Nach Zugabe des Heißhärters wird durch weiteres Absenken der Temperatur bei gleichzeitigem Mischen eine Vereinzelung des umhüllten Minerals erreicht.
  • Im Vergleich zur Warmumhüllung kommt die Heißumhüllung mit kürzeren Misch- bzw. Umhüllungszeiten aus und die Aufwendungen für die Abluftreinigung können entfallen.
  • Neben diesen Vorteilen sind aber auch Nachteile zu verzeichnen. So muß das zu umhüllende mineralische Material relativ hoch aufgeheizt werden, d.h. auf Temperaturen zwischen 130 und 170°C, damit die zum Aufschmelzen des untergemischten festen Kunstharzes erforderliche Wärmemenge im Mineral gespeichert und durch Wärmeübertragung zur Verfügung steht. Ein weiterer Nachteil sind die aus der hohen Mischtemperatur resultierenden langen Kühlzeiten.
  • Die vorgenannten Nachteile des Heißumhüllungsverfahrens können mit dem in der GB-PS 1 563 686 offenbarten Verfahren vermieden werden. Dazu wird vorgeschlagen, das durch Umsetzung von Phenol und Formaldehyd unter Wärmezuführung erzeugte heißflüssige Harz nach Abdestillieren des Wassers und des überschüssigen Phenols direkt weiterzuverwenden, d.h. das Harz wird nicht, wie sonst üblich, durch Abkühlung in einen festen Zustand überführt, sondern aus seiner Herstellung heraus heißflüssig dem oben beschriebenen Heißumhüllungsprozeß zugeführt.
  • Offensichtliche Vorteile dieses Verfahrens sind die völlige Einsparung der sonst bei der Produktion des Kunstharzes erforderlichen Aufwendungen zu seiner Überführung in einen festen Zustand, sowie die Energieeinsparung für das erforderliche Wiederaufschmelzen des Kunstharzes im Umhüllungsprozeß. Des weiteren reicht es nach diesem Verfahren aus, das zu umhüllende Material nur geringfügig über den Schmelzpunkt des Kunstharzes zu erwärmen, da eine Zufuhr von Schmelzenergie aus dem Material heraus nicht erforderlich ist. Aus der geringeren Mischtemperatur resultieren in vorteilhafter Weise kürzere Kühlzeiten für das umhüllte Mineral.
  • Die genannten Vorteile werden dadurch relativiert, daß das Verfahren nur dann praktikabel ist, wenn Herstellungs- und Verbrauchsort des Kunstharzes gleich sind. Im Regelfall wird diese Bedingung nicht erfüllt sein. Dies bedeutet, daß das aus seiner Produktion heraus heißflüssig vorliegende Kunstharz über mehr oder weniger große Entfernungen zur Umhüllungsanlage transportiert werden muß. Dazu sind spezielle, isolierte Transportbehälter erforderlich, denn das Kunstharz darf sich ja nur gering abkühlen, zumindest nicht unter seinen Schmelzpunkt, will man, wie beabsichtigt, eine höhere Aufheizung des Minerals für den Umhüllungsprozeß vermeiden.
  • Kann das angelieferte Kunstharz nicht sofort verbraucht werden, beispielsweise aufgrund eines Schadens in der Umhüllungsanlage, muß dem in den Transport- bzw. Lagerbehältern gelagerten Kunstharz Wärmeenergie zugeführt werden, um seine Temperatur nicht absinken zu lassen.
  • In modernen Umhüllungsanlagen wird die Produktion aufgrund der differierenden Anforderungen der Gießereien an das umhüllte Mineral hinsichtlich der verarbeiteten Kunstharzqualitäten und der Rezepturen mehrmals am Tage umgestellt. So ist es keine Seltenheit, daß monatlich bis zu 200 Rezepturen gefahren werden, um die jeweils von den Gießereien bestellten Produkte liefern zu können. Wollte man diesen praktischen Anforderungen mit dem Verfahren gemäß GB-PS 1 563 686 nachkommen, wäre es erforderlich, der Umhüllungsanlage eine Vielzahl von wärmeisolierenden Lagerbehältern zuzuordnen, in denen jeweils eine bestimmte Kunstharzqualität gelagert wird. Diese Behälter müßten zudem beheizt werden, um das Kunstharz auf Temperatur zu halten.
  • Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß das Kunstharz über erhebliche Zeiträume auf relativ hohen Temperaturen gehalten wird. Damit ist die Verwendung von eigenreaktiven Kunstharzen, wie o-o'-Novolaken und Resolen, bei diesem Verfahren nicht möglich. Für die Gießereien ist aber gerade die Verwendung von mit derartigen Kunstharzen umhüllten Mineralien von Vorteil, weil dadurch kurze Reaktions- und Taktzeiten bei der Herstellung von Maskenformen erreicht werden können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heißumhüllungsverfahren zur Verfügung zu stellen, welches ebenfalls mit Zugabe von heißflüssigem Kunstharz zu dem zu umhüllenden mineralischen Material arbeitet, die Nachteile des Standes der Technik aber dahingehend beseitigt, daß es einen schnellen Wechsel der zu verarbeitenden Kunstharztypen gestattet, daß eigenreaktive Kunstharze eingesetzt werden können, und daß es im Regelfall praktikabler und weniger aufwendig ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Anspruch 1 gelöst, wobei das heißflüssige Kunstharz erst kurz vor seiner Zugabe zum mineralischen Material durch Aufschmelzen von festem Kunstharz erzeugt wird.
  • Der relative Zeitbegriff "kurz" ist im Sinne der Erfindung so zu verstehen, daß das Kunstharz nach dem Aufschmelzen nicht zu Lagerhaltungszwecken über eine bestimmte Zeit bevorratet, sondern direkt, ggfs. unter Zwischenschaltung einer Konditionierungsstufe, dem Umhüllungsprozeß zugeführt wird, d.h. es wird nur in einer relativ geringen, zur kontinuierlichen Fortführung der Produktion erforderlichen Menge aufgeschmolzen.
  • Aufgrund dieser Verfahrensweise kann kurzfristig auf die differierenden Anforderungen der Gießereien hinsichtlich der Eigenschaften des umhüllten Minerals reagiert werden, da nach Zuführung der erzeugten Kunstharzschmelze zum Umhüllungsprozeß sofort ein anderer Kunstharztyp aufgeschmolzen werden kann.
  • Hinsichtlich der Eigenschaften des erzeugten Produktes ist es auch vorteilhaft, daß durch entsprechende Temperaturführung die Kunstharzschmelze je nach Bedarf niedrig-, mittel-, oder hochviskos eingestellt werden kann.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß eigenreaktive Kunstharzsysteme zum Einsatz kommen können, da die im Umhüllungsprozeß unerwünschte duroplastische Vernetzung aufgrund der relativ geringen Zeitspanne, in der die Harztemperaturen in dem dafür kritischen Bereich liegen, nur in einer unerheblichen Größenordnung stattfinden kann.
  • Nicht zuletzt können durch die Erfindung die gesamten Aufwendungen des Verfahrens nach GB-PS 1 563 686 hinsichtlich des Transportes und der Lagerhaltung des heißflüssigen Kunstharzes eingespart werden.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Aufschmelzen des festen Kunstharzes innerhalb der Zeit eines Mischtaktes und in einer für die jeweils nächste Mischercharge benötigten Menge. Dadurch kann die Produktion praktisch von einer Charge zur anderen umgestellt und die bei Verarbeitung eigenreaktiver Kunstharze durch Einsetzen der duroplastischen Vernetzung kritische Zeitspanne minimiert werden.
  • Das Harz wird in Form von Pastillen, Flakes, Bruchharz, Staub oder stückigem Mischharz verarbeitet. Es handelt sich dabei um Schüttgut mit geringer Dichte und schlechter Wärmeleitfähigkeit. Diese Eigenschaften des Schmelzgutes stehen einem für die Realisierung der Erfindung erforderlichen schnellen Schmelzvorgang hindernd entgegen. Zur Lösung dieses Problems werden in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die aus den Unteransprüchen 3 bis 7 ersichtlichen Möglichkeiten für ein schnelles Aufschmelzen der erforderlichen Harzmenge vorgeschlagen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt
    • Fig. 1
    ein Verfahrensfließbild mit einer beheizten Doppelschnecke als Schmelzaggregat,
    Fig. 2
    ein Verfahrensfließbild mit einer beheizten Walze als Schmelzaggregat,
    Fig. 3
    ein Verfahrensfließbild mit einem Mikrowellen-Schmelzofen und
    Fig. 4
    ein Verfahrensfließbild mit einem Autoklaven als Schmelzaggregat.
  • In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird das Harz, beispielsweise in Flakesform, einer Dosierschnecke 1 aufgegeben, die es in eine zwischen 120 und 150°C beheizte Doppelschnecke 2 fördert. Dort findet durch Zwangsverdichtung und Zwangstransport eine intensive Wärmeübertragung auf das Schmelzgut statt. Die Verflüssigung des Harzes wird dabei durch den erzeugten Druck unterstützt.
  • Aus der Doppelschnecke 2 gelangt das nun heißflüssige Harz in einen nachgeschalteten Zwischenbehälter 3. Dieser Zwischenbehälter 3 ist so ausgelegt, daß er etwa die vier- bis fünffache Menge des für eine Mischercharge benötigten Harzes aufnehmen kann. Er dient dazu, die schwankenden Schmelzleistungen der Doppelschnecke 2 auszugleichen. Sinnvollerweise kann er zusätzlich zur Nachmodifizierung der Harzschmelze genutzt werden, indem entsprechende Zusätze 6, z.B. Heißhärter, zugeführt werden. Zwecks gleichmäßiger Verteilung der Zusätze 6 in der Schmelze ist der Zwischenbehälter 3 mit einem Rührwerk 7 ausgerüstet.
  • Eine Kolbenpumpe 8 fördert die Schmelze aus dem Zwischenbehälter 3 in einen Dosierzylinder 4, der die für eine Mischercharge benötigte Menge an Harzschmelze in den Mischer 5 dosiert. In diesem befindet sich bereits zu umhüllender Quarzsand, der in einem nicht dargestellten Sanderhitzer auf eine Temperatur zwischen 70 und 120°C aufgeheizt und kurz zuvor dem Mischer 5 zugeführt wurde. Nach einer Mischzeit von ca. 2 bis 3 Minuten wird die Charge aus dem Mischer 5 ausgetragen und der weiteren, allgemein üblichen Bearbeitung zugeführt.
  • Es ist selbstverständlich, daß alle Aggregate der Anlage, bis auf den Mischer 5, sowie die Verbindungsleitungen 9, wie symbolisch dargestellt, beheizt sind, um ein Abkühlen der erzeugten Schmelze zu verhindern.
  • Das nächste Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 gezeigt. Der Schmelzvorgang wird hier auf einer beheizten Walze 10 vorgenommen. Ihr Einsatz beschränkt sich auf kleinere Umhüllungsanlagen, da die Schmelzleistung relativ gering ist. Die großen Oberflächen bewirken eine oxidative Beeinflussung der Schmelze und gegebenenfalls auch Verkräckung. Die selbstreinigenden Eigenschaften sind im Vergleich zur im vorhergehenden Ausführungsbeispiel verwendeten Doppelschnecke 2 sehr gering. Die Folgeaggregate entsprechen dem Verfahren des Fließbildes nach Fig. 1.
  • Im Unterschied zu den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 die für eine Mischercharge benötigte Harzmenge auf einer Waage 12 abgewogen und einem Mikrowellen-Schmelzofen 11 zugeführt, d.h. es wird nur die Harzmenge aufgeschmolzen, die für den nächsten Umhüllungsprozeß erforderlich ist. Das Aufschmelzen des Harzes erfolgt dabei in Anwesenheit einer ausreichend bemessenen Wassermenge, welches als "Energieübertragungsmedium" fungiert. Die dem Mikrowellen-Schmelzofen 11 nachgeschalteten Aggregate entsprechen denen der vorhergehenden Beispiele, so daß sie hier nicht nochmals erläutert werden.
  • Alternativ zur Mikrowellen-Schmelze ist auch eine Erwärmung in einem Induktionsofen möglich. Dazu wird ein Gemisch aus Metallkugeln und Harz durch einen Induktionsreaktor geführt. Nach Passieren des Reaktors wird die erzeugte Schmelze von den Metallkugeln separiert und der Umhüllung zugeführt. Die Metallkugeln laufen in den Schmelzprozeß zurück.
  • Das Verfahrensfließbild nach Fig. 4 zeigt den Einsatz eines beheizten Autoklaven 13 als Schmelzaggregat. Auch hier wird das für eine Mischercharge benötigte Harz über eine Waage 12 zugeführt. Durch Einleiten von Sattdampf 14 mit ca. 12 bar wird die Wärmeenergie gleichmäßig in das Schmelzgut eingetragen und bewirkt ein fast momentanes "Flüssigwerden" des Harzes. Ein im Autoklaven 13 angeordnetes Rührwerk 7 sorgt für eine Homogenisierung der Schmelze. Die erzeugte Schmelze kann direkt oder über einen nachgeschalteten Dosierzylinder 4 dem Mischer 5 zugeführt werden.
  • Nachfolgend werden einige Beispiele aufgeführt, die die besondere Eignung des erfindungsgemäßen Verfahrens für spezielle Harze und damit erzielbare Sandeigenschaften im Vergleich mit den bisher bekannten Umhüllungsverfahren belegen sollen.
    • 1. Novolake mit hohem Schmelzpunkt
  • Die Herstellung des Phenolharzes vom Typ Novolak erfolgt in einer für die Herstellung solcher Harze geeigneten Anlage. Das Verhältnis von Phenol zu Formaldehyd wird dabei mit 1:0,83 eingestellt, und als Katalysator kommt eine wässrige HCl-Lösung zum Einsatz. Nach Beendigung der Kondensation und der Dehydratisierung wird die Harzschmelze zur Konfektionierung/Schuppierung über eine Kühlwalze geführt.
    • Kenndaten des Novolakharzes:
  • Schmelzbereich 95-107°C
    Fließstrecke 18mm
    Schmelzviskosität 75 Pa.s/150°C
    freie Phenole 1,2%
  • Dieser hochschmelzende Novolak ist besonders gut zur Herstellung von umhüllten Sanden für Aluminiumguß geeignet. Die Eigenschaften des Harzes stehen einer qualitativ hochwertigen Umhüllung nach den bisher bekannten Umhüllungsverfahren jedoch entgegen.
  • Zur Verdeutlichung der Unterschiede wurden diese Umhüllungsverfahren mit dem oben angegebenen Harz durchgeführt, und die Kennwerte des umhüllten Minerals im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen Verfahren in beigefügter Tabelle 1 zusammengestellt.
  • Wie aus dieser Tabelle zu ersehen, sind die Daten der Warmumhüllung (Spalte a) bezogen auf die Festigkeiten denen der Umhüllungsverfahren in den Spalten c und d gleichzusetzen. Der Restlösemittelgehalt in der Harzhülle bewirkt jedoch eine unerwünschte Beeinflussung des Schmelzpunktes nach unten, die auch durch höhere Umhüllungstemperaturen nicht in Einklang mit den Schmelzpunkten der anderen Umhüllungsverfahren gebracht werden kann. Der Restlösemittelgehalt in der Harzhülle bewirkt außerdem eine negative Beeinflussung des Abrollverhaltens.
  • Hinzu kommt die bereits erwähnte Belastung der Abluft durch Lösemittel, die eine kostenaufwendige Abluftreinigung erfordert.
  • Die Heißumhüllung (Spalte b) ist aufgrund des schlechten Aufschmelzverhaltens der eingesetzten Harztype und der damit notwendigen hohen Sandtemperatur völlig ungeeignet.
  • Das Verfahren gemäß GB-PS 1 563 686 (Spalte c/c') erscheint, betrachtet man nur Spalte c, dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst gleichwertig. Geht man aber, wie weiter oben schon ausgeführt, davon aus, daß das aus der Produktion heraus heißflüssig vorliegende Kunstharz unter realen praktischen Bedingungen über einen längeren Zeitraum auf etwa Schmelztemperatur gehalten werden muß, dann spiegelt Spalte c' die realistischen Verhältnisse wider. Ein Blick auf diese Spalte zeigt, daß die Festigkeitswerte bereits deutlich abfallen, wenn die Schmelze über einen Zeitraum von 24 Stunden auf 130°C gehalten wird. Die Harzschmelze zeigt nach dieser Zeitdauer aufgrund der Temperaturbelastung bereits Verfärbungen, die auf Verkräckung des Produktes hindeuten. Auch durch Schutzgas wie Stickstoff und durch eine schonende Beheizung mittels flüssiger Wärmeträger läßt sich diese Erscheinung nicht ganz abstellen. Eine Verwendung der Harzschmelze über einen längeren Zeitraum ist ohne Einbuße von Qualitätsmerkmalen des hergestellten umhüllten Sandes nicht möglich.
  • Geeignet für die Herstellung einer gleichmäßigen Sandqualität ist nur das erfindungsgemäße Verfahren (siehe Spalte d).
    • 2. Reaktive Novolake
  • Zur Herstellung des Novolakes werden Phenol und Formaldehyd im Verhältnis 1:0,5 unter Verwendung von Zinkacetat zur Reaktion gebracht. Nach erfolgter Reaktion wird durch geeignete Prozesse der Überschuß an freien Phenolen soweit wie möglich reduziert und die Harzschmelze bis ca. 125°C unter vermindertem Druck entwässert, bevor die Schmelze wie bereits unter 1. beschrieben einer Kühlwalze zugeführt und ausgekühlt wird.
  • Das IR-Spektrum des Harzes zeigt, daß es sich um einen reinen o-o'- Novolak handelt. Wird ein solcher Novolak längere Zeit auf Schmelztemperatur gehalten, oder erfolgt eine Erwärmung des Harzes auf Temperaturen, die über die oben genannten 125°C hinausgehen, so verändert sich die Struktur des Harzes, und die erwünschten Eigenschaften gehen verloren.
    • Kenndaten des Harzes:
  • Schmelzbereich 82-91°C
    Fließstrecke 45mm
    Schmelzviskosität 8,3 Pa.s/125°C
    freie Phenole 1,9%
    IR-Spektrum o-o'-Novolak
  • Dieser hochreaktive Novolak eignet sich zur Herstellung von umhüllten Sanden, die kurze Taktzeiten bei der Kernherstellung erfüllen sollen.
  • Gleichzeitig zeigte sich bei Versuchen eine Verbesserung der Zerfallseigenschaften, die speziell Vorteile bei der Entkernung dünnwandiger Gußstücke und bei Leichtmetall erbringen.
  • Die beigefügte Tabelle 2 zeigt die Einwirkung der einzelnen Umhüllungsverfahren auf die mechanischen Eigenschaften des mit diesem Harz umhüllten Sandes.
  • Auch hier zeigt die Warmumhüllung zufriedenstellende Festigkeitswerte, die aber auf Kosten der bekannten Nachteile erreicht werden. Das Abrollverhalten ist jedoch völlig unbefriedigend (Spalte a).
  • Beim Heißumhüllungsprozeß (Spalte b) wird die Harzstruktur durch Temperatureinwirkung so verändert, daß die gewünschten Eigenschaften nicht erreicht werden können.
  • Mit dem Verfahren gemäß GB-PS 1 563 686 werden wie schon bei dem vorhergehenden Beispiel zunächst gute Werte erzielt (Spalte c), jedoch ist schon nach kurzer Temperaturbeaufschlagung des Harzes ein Abbau der Festigkeiten sowie eine Verschlechterung des Abrollverhaltens zu beobachten, obwohl die Temperaturführung im Harzvorratsbehälter auf ein Minimum beschränkt wurde (Spalte c'). Die Festharzschmelze im Temperiergefäß zeigte nach 6 Stunden bei 120°C bereits einen Viskositätsanstieg auf 11,5 Pa.s bei 125°C.
  • Die Umhüllung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verläuft optimal. Eine Vorreaktion kann durch eine geeignete Temperaturführung und eine nur kurzzeitige Temperaturbeaufschlagung der Schmelze ausgeschlossen werden.
    • 3. Novolake mit endständigen Methylolgruppen, Festresole und Benzyletherharze
  • Es handelt sich um Harze, die bei Temperaturbelastung wesentlich schneller als die unter Punkt 2 genannten Harze ihre Struktur verändern und damit auch die gewünschten Eigenschaften verlieren. Solche Harze zeichnen sich meist durch einen niedrigen Schmelzpunkt bzw. durch geringe Schmelzviskositäten aus.
  • Als Beispiel für ein Festresol sei das Harz Supraplast (Produktname für Harze der Firma SWC Neu-Ulm) genannt. Die Herstellung von Benzyletherharzen ist in den DE-PS 1 583 521 bzw. 1 720 204 beschrieben.
  • In der Umhüllungstechnik werden solche Harze als Zerfallsharze oder als sogenannte "N-free"- Systeme eingesetzt. Der Bedarf nach solchen Systemen ist vorhanden, die Bedeutung jedoch aufgrund der fehlenden geeigneten Umhüllungstechnik und damit mangelhafter qualitativer Eigenschaften der umhüllten Sande nicht sehr groß.
  • Die Umhüllung in alkoholischen Lösungen als Warmumhüllung ist möglich, aber aufgrund der bekannten Schmelzpunktreduzierung nicht optimal.
  • Die Heißumhüllung ist selbst bei schonender Temperaturführung kein geeignetes Umhüllungsverfahren für solche Harze, da die mechanischen Eigenschaften der umhüllten Sande zu stark gemindert werden.
  • Eine Vorratshaltung derartiger Harze als Schmelze gemäß GB-PS 1 563 686 verbietet sich aufgrund der Eigenreaktion von selbst.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt die Umhüllung der Mineralien nahezu problemlos. Durch angepaßte niedrige Temperaturführung von Harzschmelze und Mineral - auch unter 100°C - können optimale Ergebnisse erreicht werden.
    • 4. Resol/Novolak Cokondensate
  • Zur Verbesserung thermischer, sowie mechanisch/physikalischer Eigenschaften der umhüllten Mineralien ist die gemeinsame Verwendung von Resolen und Novolaken bekannt. Auch mit diesen Systemen wird die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht und die Zerfallseigenschaften sowie die Kalt- und Heißfestigkeiten können verbessert werden.
  • Der Einsatz von Resolen bei der Warmumhüllung von Mineralien ist problemlos möglich. Bei diesem Verfahren kommt es lediglich auf die exakte Voreinstellung der Resoleigenschaften an.
  • Bei der Heißumhüllung ist der Einsatz von Resolen möglich, wird aber durch die hohe Temperaturführung im Mischer - denn erst dort kann die Zugabe des Resols erfolgen - von großen Unsicherheitsfaktoren begleitet, die auszugleichen einen erheblichen Meß-, Regel- und Steuerungsaufwand der Anlage erfordert. Trotz solcher Maßnahmen sind Qualitätsschwankungen am Fertigprodukt innerhalb einer laufenden Produktion feststellbar und nicht selten Ursache von Beanstandungen.
  • Bei der Umhüllung gemäß GB-PS 1 563 686 ist diese Form der Modifikation zwar nicht ausdrücklich erwähnt, aber im zuvor beschriebenen Sinne möglich. Eine Zugabe des Resols in die bevorratete Novolakschmelze ist jedoch nicht vorstellbar, da die Temperaturbelastung nach kurzer Zeit eine Härterreaktion auslöst, die das Produkt unbrauchbar macht. Demzufolge ist der Einsatz von Resolen auf bestimmte Qualitäten begrenzt, oder aber die notwendigen Reaktionstemperaturen müssen durch Anhebung der Mineralientemperatur erreicht werden. Die damit verbundenen negativen Begleiterscheinungen hoher Umhüllungstemperaturen wurden bereits zuvor angedeutet.
  • Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Zugabe von Resolen in den Umhüllungsmischer selbst, läßt es aber auch zu, eine gezielte Vermischung und Vorreaktion von Resol und Novolaken und/oder anderen Modifikanten im Schmelzaggregat oder aber im Vorratsbehälter 3 (siehe Figuren 1 und 2) durchzuführen. Hierbei ist eine genaue Temperaturführung durch die vorhandene direkte bzw. indirekte Beheizung ebenso möglich wie eine zeitliche Steuerung der Vorreaktion. Auf eine Erhöhung der Mineralientemperatur mit allen
  • Unsicherheiten und Problemen kann also hier verzichtet werden. Diese Verfahrensweise ermöglicht eine exakte Produktionsführung, die von den bisher bekannten Umhüllungsverfahren nicht erreicht werden kann. Tabelle 1
    Spalte a b c/c' d
    Umhüllungsverf.: Warm Heiß Heiß GB-PS 1 563 686 Erfindung
    erforderliche Temperaturen:
    Mineral 90 170 130/130 130 °C
    Harzschmelze - - 130/130 130 °C
    Kennwerte des umhüllten Sandes:
    Aussehen sandfarben einheitlich gelblich Harzrückst. sandfarben einheitlich sandfarben einheitlich
    Schüttgewicht 1580 1450 1600/1560 1600 g/L
    Schmelzpunkt 104 123 116/119 115 °C
    Glühverlust 3,38 2,94 3,42/3,38 3,34 %
    Heißfestigkeit 220 140 235/210 240 N/cm2
    Kaltfestigkeit 410 285 405/375 415 N/cm2
    Abrollverhalten 13 27 0 / 0 0 %
    Spalte a - Für die Warmumhüllung wurde der Novolak 65%ig in Ethanol gelöst.
    Spalte c'- Die Schmelze wurde 24 Stunden auf 130°C gehalten.
    Für alle angeführten Umhüllungsverfahren wurden die optimalen Umhüllungsbedingungen eingestellt.
    Tabelle 2
    Spalte a b c/c' d
    Umhüllungsverf.: Warm Heiß Heiß GB-PS 1 563 686 Erfindung
    erforderliche Temperaturen:
    Mineral 90 135 115/115 115 °C
    Harzschmelze - - 120/120 120 °C
    Kennwerte des umhüllten Sandes:
    Aussehen sandfarben einheitlich sandfarben* einheitlich sandfarben einheitlich sandfarben einheitlich
    Schüttgewicht 1570 1520 1590/1570 1590 g/L
    Schmelzpunkt 90 101 94/99 94 °C
    Glühverlust 3,44 3,46 3,28/3,43 3,33 %
    Heißfestigkeit 400 310 440/355 440 N/cm2
    Kaltfestigkeit 1440 1230 1380/1260 1400 N/cm2
    Abrollverhalten 15 13 0 /15 0 %
    * leicht gelblich Spalte a - Für die Warmumhüllung wurde der Novolak 68%ig in Ethanol gelöst. Spalte c'- Die Schmelze wurde 6 Stunden auf 120°C gehalten.
    Für alle angeführten Umhüllungsverfahren wurden die optimalen Umhüllungsbedingungen eingestellt.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Umhüllen von körnigen, mineralischen Materialien mit Kunstharz, bei dem das Kunstharz dem geringfügig über den Harzschmelzpunkt erwärmten mineralischen Material im heißflüssigem Zustand zugegeben und mit diesem vermischt wird, sowie die Mischercharge nach erfolgter Vermischung auf eine Temperatur unterhalb des Harzschmelzpunktes abgekühlt und auf Korngröße vereinzelt 'wird, dadurch gekennzeichnet, daß das heißflüssige Kunstharz erst kurz vor seiner Zugabe zum mineralischen Material durch Aufschmelzen von festem Kunstharz erzeugt und ohne Bevorratung direkt, ggfs. Unter Zwischen schaltung einer Konditionierungsstufe, dem Umhüllungsprozess zugeführt wird, wobei es nur in einer zur kontinuierlichen Fortführung des Verfahrens erforderlichen Menge aufgeschmolzen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen des festen Kunstharzes innerhalb der Zeit eines Mischtaktes und in einer für die jeweils nächste Mischercharge benötigten Menge erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,, daß der Schmelzprozeß in einer beheizten Doppelschnecke (2) stattfindet.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzprozeß in einem Mikrowellen-Schmelzofen (11) stattfindet.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzprozeß in einem Induktionsreaktor stattfindet, dem dazu ein Gemisch aus Kunstharz und Metallkugeln zugeführt wird, wobei die Metallkugeln nach dem Passieren des Reaktors aus der Schmelze entfernt und dem Prozeß erneut zugeführt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzprozeß in einem beheizten Autoklaven (13) derart stattfindet, daß in die aufzuschmelzende Kunstharzcharge Sattdampf (14) eingeleitet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzprozeß auf einer beheizten Walze (10) vorgenommen wird.
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