EP0544863B1 - Verfahren zum aushärten von sandformkörpern, insbesondere für giessereien - Google Patents

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EP0544863B1 EP92912124A EP92912124A EP0544863B1 EP 0544863 B1 EP0544863 B1 EP 0544863B1 EP 92912124 A EP92912124 A EP 92912124A EP 92912124 A EP92912124 A EP 92912124A EP 0544863 B1 EP0544863 B1 EP 0544863B1
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hardening
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/12—Treating moulds or cores, e.g. drying, hardening
    • B22C9/123—Gas-hardening

Definitions

  • the invention relates to a method for hardening sand moldings, in particular for foundries, but also for other areas of technology, in which a carrier gas / hardener gas stream is circulated several times through the sand moldings.
  • the sand molding consists of a mixture that is composed of a basic material (e.g. quartz sand, zircon sand, chromite sand) and one or more binders that can be hardened by the hardener gas. Air or nitrogen is usually used as the carrier gas.
  • a basic material e.g. quartz sand, zircon sand, chromite sand
  • Air or nitrogen is usually used as the carrier gas.
  • the hardener gas which can be either reactive or catalytic, triggers the hardening of the binder in the sand molding, reactive hardener gases being used as a reaction component, while catalytic hardener gases are hardly used in the process.
  • the curing of the binder is completed in an economically sensible unit of time, and the sand molding can then be removed from the molding tool for further use, for example for casting with a molten metal.
  • a wide variety of fumigation processes are used in practice.
  • the best known are the cold box process (phenolic resin / isocyanate binder with vaporous tertiary amines as hardener gas), the CO2 process (water glass binder with CO2 as hardener gas, the SO2 process (polyurethane / peroxide with SO2 as hardener gas), the beta -Set process (phenolic resin binder with methyl formate as hardener gas) and the red set process (resin binder and sulfuric acid with acetals as hardener gas).
  • the hardener gas is always used in large excess to ensure that the curing reaction takes place completely at all points of the sand molding. This applies to both reactive and catalytic hardener gases. The result is that the unused reactive hardener gas or almost the entire amount of catalytic hardener gas added, since this is not or hardly used, can be found in the exhaust gas stream.
  • a fumigation is now known in which, in contrast to the previously described methods, the hardening gas, a catalyst (in particular amine) is not only passed once, but several times through the sand molding. For this purpose, it is fed into a circuit guided through the sand molding and pumped therein together with the carrier gas (air) until the sand molding has hardened. This process can cure all areas of the sand molding while reducing the amount of catalyst used.
  • a catalyst in particular amine
  • this object is achieved in that a quantity of hardener gas is used which corresponds to or is only slightly above the theoretical quantity required for a complete hardening reaction, a primary gassing circuit leading via a hardener gas source being circulated until said quantity of hardener gas is present in part of the primary gassing circuit is present, which is at the same time part of a secondary circuit, whereupon the primary gassing circuit is closed, the secondary gassing circuit is opened, and the latter is circulated until the curing reaction is complete.
  • the amount of hardener gas theoretically required for a complete course of the curing reaction can easily be determined from the volume of the sand molding and the mixing ratio of sand and binder. This amount is now made available for the hardening of the sand molding that the primary gassing circuit is activated or remains until this amount is present in the part of this circuit that is also part of the secondary gassing circuit.
  • the number of circuits to be driven in the primary gassing circuit is dependent on the size of the sand molding and on the absorption capacity of the carrier gas stream passed through the hardening gas source. It can practically range from just one sub-circuit to several circuits.
  • the primary gassing circuit When the required amount of hardening gas is present in the part common to both circuits, the primary gassing circuit is closed and the secondary gassing circuit is opened. In this cycle then the carrier gas / hardener gas stream is circulated through the sand molding until the curing reaction is complete, which has already started during the gassing in the primary gassing circuit.
  • the process according to the invention is therefore very environmentally friendly without reducing the quality of the sand moldings produced and at the same time drastically reducing the consumption of hardening chemicals. It also allows the operation of all known fumigation processes without disposal problems.
  • the invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
  • the accompanying drawing shows a schematic circuit diagram of the method in which 1 denotes the primary gassing circuit and 2 the secondary gassing circuit.
  • the primary gassing circuit 1 essentially includes a mold 3 consisting of an upper and lower box, a vacuum accumulator 5, a suction pressure pump 4 and a hardening gas evaporator 10.
  • the mold 3, the vacuum accumulator 5 and the suction pressure pump 4 and the associated connecting lines are at the same time part of the secondary gassing circuit 2.
  • the mold 3 corresponds to the mold boxes customary for the gassing process and therefore requires no further explanation. It is followed by a valve 6. It is a three-way valve. Via this valve 6, the corresponding circuit can be used for the pre-fumigation Shoot the sand core or the sand mold out of the mold 3 and escape the displaced air.
  • the following filter 7 is used to keep sand particles that may emerge from the mold 3 away from the suction-pressure pump 4 and other endangered system parts during mold or core shooting.
  • the method according to the invention works according to the circuit diagram shown as set out below.
  • the molding or core shooting is finished, the molding tool 3 is prepared for the gassing process, and the valve 6 is switched to pass into the circuit 1 or 2.
  • the valve 9 of the primary gassing circuit 1 is open, the valves 19 and 20 of the secondary gassing circuit 2 are closed.
  • the suction-pressure pump 4 is in operation and presses the carrier gas stream, air or nitrogen, via the hardener gas evaporator 10 in which it is loaded with vaporous hardener gas.
  • the load can be detected by means of a gas chromatograph 18.
  • the carrier gas hardener gas stream is present at the metering valve 8. This is opened at intervals, and the suction-pressure pump 4 sucks the carrier gas / hardener gas stream through the sand molding, which is not shown in the mold 3.
  • the vacuum accumulator 5 serves to support the suction effect of the suction-pressure pump 4, which does not build up the required vacuum immediately, as necessary, but only slowly. This vacuum reservoir is particularly necessary if large sand moldings are to be cured.
  • the gassing pressure is regulated to preferably 0.6-0.8 bar by means of a pressure control device 11, which can be implemented by bypassing the suction-pressure pump 4. Should the required gassing pressure drop below 0.3 bar, compressed air or nitrogen is fed into the primary gassing circuit 1 via line 12 and pressure regulator 13. However, this was not necessary for tests carried out. Check valves 14 and 15 ensure that the respective gas flows flow in the desired directions.
  • a safety valve 17 provided on a store 16 responds and blows off to a disposal point.
  • valves 8 and 9 are closed and valves 19 and 20 are opened.
  • the suction-pressure pump 4 remains in operation and now pumps around the carrier gas / hardener gas stream in the secondary gassing circuit 2 until the hardening reaction in the sand molding has been completed. Then the suction-pressure pump 4 is switched off and the valves 19 and 20 are closed. The hardened sand molding can now be removed from the mold 3 without any problems for the environment, which can then be prepared for the next cycle.
  • the measured MAK were far below the permissible limit of the TA-Luft, so that disposal or extraction was not necessary.
  • the vacuum mode also has the additional advantage of favorable evaporation conditions for the component used as the hardener. Furthermore, favorable fumigation conditions are created by the small pressure difference applied to the molding tool 3.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aushärten von Sandformkörpern, insbesondere für Gießereien, aber auch für andere Gebiete der Technik, bei dem ein Trägergas-Härtergas-Strom mehrmals im Kreislauf durch den Sandformkörper hindurch geführt wird.
  • Diese Begasungsverfahren haben vor allem wegen der höheren Produktivität, des geringeren Energiebedarfs und wegen der besseren Arbeitsbedingungen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Ihr Prinzip besteht darin, daß ein Trägergas-Härtergas-Strom durch den in einem Formwerkzeug befindlichen Sandformkörper hindurch gedrückt oder gesaugt wird. Der Sandformkörper besteht aus einem Gemisch, das aus einem Grundstoff (z.B. Quarzsand, Zirkonsand, Chromitsand) und einem oder mehreren durch das Härtergas aushärtbaren Bindemitteln zusammengesetzt ist. Als Trägergas wird meist Luft oder Stickstoff eingesetzt. Das Härtergas, das entweder reaktiv oder katalytisch wirken kann, löst die Aushärtung des Bindemittels im Sandformkörper aus, wobei reaktive Härtergase als Reaktionskomponente verbraucht werden, während sich katalytische Härtergase dabei praktisch kaum verbrauchen. Die Aushärtung des Bindemittels ist in einer ökonomisch sinnvollen Zeiteinheit abgeschlossen, und der Sandformkörper kann dann dem Formwerkzeug zur weiteren Verwendung, beispielsweise zum Abgießen mit einer Metallschmelze, entnommen werden.
  • In der Praxis sind die verschiedensten Begasungsverfahren im Einsatz. Die bekanntesten sind das Coldbox-Verfahren (Phenolharz/Isocyanat-Binder mit dampfförmigen tertiären Aminen als Härtergas), das CO₂-Verfahren (Wasserglas-Binder mit CO₂ als Härtergas, das SO₂-Verfahren (Polyurethan/Peroxid mit SO₂ als Härtergas), das Beta-Set-Verfahren (Phenolharz-Binder mit Methylformiat als Härtergas) und das Red-Set-Verfahren (Harz-Bindemittel und Schwefelsäure mit Acetalen als Härtergas).
  • Die meisten Begasungsverfahren arbeiten derart, daß der Trägergas-Härtergas-Strom je Aushärtungszyklus einmal durch den im Formwerkzeug befindlichen Sandformkörper hindurch gedrückt bzw. gesaugt wird. Beispiele dafür sind in der DE-OS 27 47 109 und in der DE-PS 25 26 875 zu finden.
  • Das Härtergas wird dabei immer im großen Überschuß eingesetzt, um sicher zu gehen, daß die Aushärtungsreaktion an allen Stellen des Sandformkörpers vollstandig abläuft. Das trifft sowohl für reaktive als auch für katalytische Härtergase zu. Die Folge ist, daß das nicht verbrauchte reaktive Härtergas bzw. fast die gesamte zugesetzte Menge des katalytischen Härtergases, da sich dieses nicht bzw. kaum verbraucht, in dem Abgasstrom wiederzufinden ist.
  • Da, abgesehen vom CO₂, alle bei den verschiedenen Begasungsverfahren eingesetzten Härtergase gesundheitsgefährdend und umweltschädlich sind, und nach der Aushärtungsreaktion in einer Konzentration vorliegen, in der sie nach den heutigen Luftreinhaltungsanforderungen nicht unbedenklich in die Umgebung abgegeben werden können, ergibt sich die Notwendigkeit, die Abgase von diesen Schadstoffen zu befreien. Dafür sind eine Vielzahl von Verfahren und Einrichtungen bekannt, die z.B. in der EP-PS 128 974, DE-PS 40 07 798, DE-AS 26 20 303, DE-OS 37 42 449, DE-OS 26 21 153 und in der GB-PS 12 69 203 beschrieben werden. Alle diese Lösungen weisen den Nachteil auf, daß die erforderlichen Anlagen in Anschaffung und Betrieb teuer sind und dadurch die oben angeführten Vorteile der Begasungsverfahren zum Teil wieder kompensiert werden bzw., daß die Entsorgung noch nicht geklärt ist.
  • Aus der FR-PS 24 37 894 ist nun eine Begasung bekannt, bei der im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Verfahren, das Härtergas, ein Katalysator (insbesondere Amin) nicht nur einmal, sondern mehrmals durch den Sandformkörper hindurchgeleitet wird. Dazu wird es in einen durch den Sandformkörper geführten Kreislauf eingespeist und darin zusammen mit dem Trägergas (Luft) so lange umgepumpt, bis der Sandformkörper ausgehärtet ist. Durch dieses Verfahren kann eine Aushärtung aller Bereiche des Sandformkörpers bei gleichzeitiger Verringerung der eingesetzten Katalysatormenge erreicht werden.
  • Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß der Kreislauf nach jedem Aushärtungszyklus um die Volumenmenge reduziert werden muß, die zu Beginn des Zyklusses in ihn eingespeist wird, da er sich ansonsten aufpumpen" würde. Die daher aus dem Kreislauf notwendigerweise abzuführende Abluft muß trotz der Verringerung der eingesetzten Katalysatormenge gereinigt werden, bevor sie in die Umgebung abgegeben werden kann.
  • Hier setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren zum Aushärten von Sandformkörpern zur Verfügung zu stellen, das ohne Abluft arbeitet und somit aufwendige Reinigungsmaßnahmen überflüssig macht.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mit einer Härtergasmenge gefahren wird, die der für eine vollständige Aushärtungsreaktion erforderlichen theoretischen Menge entspricht oder nur geringfügig darüber liegt, wobei ein über eine Härtergasquelle führender Primärbegasungskreislauf so lange im Kreis gefahren wird, bis besagte Härtergasmenge in einem Teil des Primärbegasungskreislaufes vorhanden ist, der gleichzeitig Teil eines Sekundärkreislaufs ist, worauf der Primärbegasungskreislauf geschlossen, der Sekundärbegasungskreislauf geöffnet, und letzterer so lange im Kreis gefahren wird, bis die Aushärtungsreaktion vollständig abgelaufen ist.
  • Die für einen vollständigen Ablauf der Aushärtungsreaktion theoretisch erforderliche Härtergasmenge läßt sich aus dem Volumen des Sandformkörpers und dem Mischungsverhältnis von Sand und Bindemittel leicht bestimmen. Diese Menge wird nun dadurch für die Aushärtung des Sandformkörpers zur Verfügung gestellt, daß der Primärbegasungskreislauf so lange aktiviert wird bzw. bleibt, bis diese Menge in dem Teil dieses Kreislaufes vorhanden ist, der gleichzeitig Teil des Sekundärbegasungskreislaufes ist. Die Anzahl der im Primärbegasungskreislauf zu fahrenden Kreisläufe ist dabei abhängig von der Größe des Sandformkörpers sowie von dem Aufnahmevermögen des über die Härtergasquelle geführten Trägergasstromes. Sie kann sich praktisch in den Grenzen von nur einem Teilkreislauf bis zu mehreren Kreisläufen bewegen.
  • Wenn die erforderliche Menge an Härtergas in dem beiden Kreisläufen gemeinsamen Teil vorhanden ist, wird der Primärbegasungskreislauf geschlossen und der Sekundärbegasungskreislauf geöffnet. In diesem Kreislauf wird dann der Trägergas-Härtergas-Strom so lange durch den Sandformkörper hindurch im Kreis gefahren, bis die Aushärtungsreaktion abgeschlossen ist, die ja bereits bei der Begasung im Primärbegasungskreislauf eingesetzt hat.
  • Im Falle eines reaktiven Härtergases hat sich dieses völlig bzw. derart verbraucht, daß die verbleibende Konzentration im Trägergas keine Belastung der Umwelt darstellt. Der ausgehärtete Sandformkörper kann daher ohne das herkömmliche Spülen dem Formwerkzeug entnommen werden. Aber auch wenn ein katalytisches Härtergas für die Begasung eingesetzt wird, ist ein Spülen aufgrund der sehr geringen Konzentration des Härtergases im Trägergas des Sekundärbegasungskreislaufes vor Entnahme des ausgehärteten Sandformkörpers aus dem Formwerkzeug nicht erforderlich.
  • Abluft fällt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren praktisch nicht an, weil durch die Ineinanderschachtelung der beiden Kreisläufe ein "Aufpumpen" des Sekundärbegasungskreislaufes nicht erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit ohne Minderung der Qualität der produzierten Sandformkörper bei gleichzeitiger, drastischer Reduzierung des Verbrauchs an Härterchemikalien sehr umweltfreundlich. Es gestattet weiterhin das Betreiben aller bekannten Begasungsverfahren ohne Entsorgungsprobleme.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt ein schematisches Schaltbild des Verfahrens, in dem mit 1 der Primärbegasungskreislauf und mit 2 der Sekundärbegasungskreislauf bezeichnet ist. Zum Primärbegasungskreislauf 1 gehören im wesentlichen ein aus Ober- und Unterkasten bestehendes Formwerkzeug 3, ein Unterdruckspeicher 5, eine Saug-Druck-Pumpe 4 und ein Härtergas-Verdampfer 10. Das Formwerkzeug 3, der Unterdruckspeicher 5 sowie die Saug-Druck-Pumpe 4 sowie die dazugehörigen Verbindungsleitungen sind gleichzeitig Bestandteil des Sekundärbegasungskreislaufes 2.
  • Das Formwerkzeug 3 entspricht den für die Begasungsverfahren üblichen Formkästen und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung. Ihm nachgeschaltet ist ein Ventil 6. Es ist ein Dreiwegeventil. Über dieses Ventil 6 kann durch seine entsprechende Schaltung die beim vor der Begasung erfolgenden Schießen des Sandkerns bzw. der Sandform aus dem Formwerkzeug 3 verdrängte Luft ins Freie entweichen. Der nachfolgende Filter 7 dient dazu, beim Form- oder Kernschießen eventuell aus dem Formwerkzeug 3 austretende Sandpartikel von der Saug-Druck-Pumpe 4 und anderen gefährdeten Anlagenteilen fernzuhalten.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet nach dem gezeigten Schaltschema wie nachstehend dargelegt.
  • Das Form- bzw. Kernschießen ist beendet, das Formwerkzeug 3 für den Begasungsvorgang vorbereitet, und das Ventil 6 auf Durchgang in den Kreislauf 1 bzw. 2 geschaltet. Das Ventil 9 des Primärbegasungskreislaufes 1 ist geöffnet, die Ventile 19 und 20 des Sekundärbegasungskreislaufes 2 sind geschlossen. Die Saug-Druck-Pumpe 4 ist in Betrieb und drückt den Trägergasstrom, Luft oder Stickstoff, über den Härtergas-Verdampfer 10 in dem er mit dampfförmigem Härtergas beladen wird. Die Beladung kann mittels eines Gaschromatographen 18 erfaßt werden. Nach dem Härtergas-Verdampfer 10 steht der Trägergas-Härtergas-Strom am Dosierventil 8 an. Dieses wird in Intervallen geöffnet, und die Saug-Druck-Pumpe 4 saugt den Trägergas-Härtergas-Strom durch den im Formwerkzeug 3 befindlichen, nicht dargestellten Sandformkörper hindurch.
  • Der Unterdruckspeicher 5 dient der Unterstützung der saugenden Wirkung der Saug-Druck-Pumpe 4, die den erforderlichen Unterdruck nicht wie nötig augenblicklich, sondern nur langsam aufbaut. Insbesondere ist dieser Unterdruckspeicher notwendig, wenn große Sandformkörper ausgehärtet werden sollen.
  • Über eine Druckregeleinrichtung 11, die durch einen Bypaß zur Saug-Druck-Pumpe 4 realisiert werden kann, wird der Begasungsdruck auf vorzugsweise 0,6 - 0,8 bar geregelt. Sollte der erforderliche Begasungsdruck unter 0,3 bar sinken, so wird über Leitung 12 und Druckregler 13 Druckluft bzw. Stickstoff in den Primärbegasungskreislauf 1 eingespeist. Bei durchgeführten Versuchen war das allerdings nicht erforderlich. Rückschlagventile 14 und 15 sorgen dafür, daß die jeweiligen Gasströme in die gewünschten Richtungen fließen.
  • Bei Drucküberschreitung (2,5 bar) spricht ein an einem Speicher 16 vorgesehenes Sicherheitsventil 17 an und bläst zu einer Entsorgungsstelle ab.
  • Wenn die nach der Erfindung erforderliche Härtergasmenge in dem zwischen den Punkten 21 und 22 gelegenen Teil beider Kreisläufe 1 und 2 vorhanden ist, werden die Ventile 8 und 9 geschlossen und die Ventile 19 und 20 geöffnet. Die Saug-Druck-Pumpe 4 bleibt weiter in Betrieb und pumpt nun den Trägergas-Härtergas-Strom im Sekundärbegasungskreislauf 2 um, und zwar so lange, bis die Aushärtungsreaktion im Sandformkörper abgeschlossen ist. Dann wird die Saug-Druck-Pumpe 4 abgestellt und die Ventile 19 und 20 werden geschlossen. Der ausgehärtete Sandformkörper kann nun ohne Probleme für die Umwelt aus dem Formwerkzeug 3 entnommen werden, das dann für den nächsten Zyklus vorbereitet werden kann.
  • Die gemessenen MAK lagen bei durchgeführten Versuchen weit unter der zulässigen Begrenzung der TA-Luft, so daß eine Entsorgung bzw. Absaugung nicht erforderlich war.
  • Bei Versuchen nach dem Beta-Set-Verfahren lag der Verbrauch von Methylformiat unter 20 % (zum Harz) und konnte damit um ca. 60 - 70 % reduziert werden.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch darin zu sehen, daß in beiden Kreisläufen 1 und 2 im Unterdruckbereich gefahren wird, umweltbelastende Leckagen also nicht auftreten können. Im über den Härtergas-Verdampfer 10 geführten Primärbegasungskreislauf 1 bringt die Unterdruckfahrweise noch den zusätzlichen Vorteil günstiger Verdampfungsbedingungen für die als Härter eingesetzte Komponente. Desweiteren werden durch die geringe am Formwerkzeug 3 anliegende Druckdifferenz günstige Begasungsbedingungen geschaffen.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Aushärten von Sandformkörpern, insbesondere für Gießereien, bei dem ein Trägergas-Härtergas-Strom mehrmals im Kreislauf durch den Sandformkörper hindurch geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Härtergasmenge gefahren wird, die der für eine vollständige Aushärtungsreaktion erforderlichen theoretischen Menge entspricht oder nur geringfügig darüber liegt, wobei ein über eine Härtergasquelle (10) führender Primärbegasungskreislauf (1) so lange im Kreis gefahren wird, bis besagte Härtergasmenge in einem Teil des Primärbegasungskreislaufes (1) vorhanden ist, der gleichzeitig Teil eines Sekundärbegasungskreislaufes (2) ist, worauf der Primärbegasungskreislauf (1) geschlossen, der Sekundärkreislauf (2) geöffnet, und letzterer so lange im Kreis gefahren wird, bis die Aushärtungsreaktion vollständig abgelaufen ist.
EP92912124A 1991-06-25 1992-06-19 Verfahren zum aushärten von sandformkörpern, insbesondere für giessereien Expired - Lifetime EP0544863B1 (de)

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