EP0580691B1 - Verfahren und vorrichtungen zur herstellung von kunstharzgebundenen sandformkörpern für den metallguss - Google Patents

Verfahren und vorrichtungen zur herstellung von kunstharzgebundenen sandformkörpern für den metallguss Download PDF

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EP0580691B1
EP0580691B1 EP92908814A EP92908814A EP0580691B1 EP 0580691 B1 EP0580691 B1 EP 0580691B1 EP 92908814 A EP92908814 A EP 92908814A EP 92908814 A EP92908814 A EP 92908814A EP 0580691 B1 EP0580691 B1 EP 0580691B1
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EP
European Patent Office
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gas
hardener
core
sand
box
Prior art date
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Application number
EP92908814A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0580691A1 (de
Inventor
Wolfgang Kullik
Jacob Beller
Günter Hertlein
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.)
Dossmann Eisengiesserei und Maschinenfabrik GmbH
Original Assignee
Dossmann Eisengiesserei und Maschinenfabrik GmbH
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Publication date
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Publication of EP0580691A1 publication Critical patent/EP0580691A1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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 the technical field of metal casting and relates to a method and devices for the production of sand cores or sand molds as moldings which are poured or cast around with the liquid metal and are thermally destroyed during the metal casting process.
  • sand moldings are produced from a molding sand mixed with a liquid synthetic resin binder, the synthetic resin binder portion of which is brought to a hardening reaction within a core box or molded box by means of a hardening gas.
  • the invention relates to a method and devices for producing sand moldings bonded with a hardened synthetic resin, in particular sand cores, in a core molding machine in two production steps, namely shaping the sand mold body into a sand bale by filling a core box or a molding box with one from a mixture of a core sand with a liquid synthetic resin binder, the synthetic resin binder portion of which can be brought to harden by means of a hardener component (hardener gas) passed through the sand bale in gaseous form, as the first manufacturing step, and the subsequent hardening reaction of the sand bale by gassing it with the hardener gas in a gas-tight closed system that or molded box and a gas ring line connected to its head side and to its bottom side with a gas feed pump, in such a way that the hardener component is either by means of a carrier g ases or in the liquid state into the gas ring line and by means of the gas feed
  • the sand moldings are produced in large series in core molding machines using the following procedure in two steps.
  • an empty core or molding box the hollow or interior of which corresponds to the contour of the sand core or sand mold to be produced, is introduced into the core molding machine, covered with a device for filling in the molding sand and filled with the molding sand.
  • the core shooting technique is known, in which the molding sand is shot into the core box by means of a compressed air stream of up to 7 bar. Accordingly, the core molding machine is referred to as the core shooting machine and the device for covering the core box as the firing plate.
  • the hardening gas is passed onto and through the molding sand formed in the core box for the sand bale until the binder (synthetic resin binder) contained in the sand bale depends Core size and depending on the type of binder and hardener gas is cured within seconds or minutes, after which the core box is removed from the core shooter and the ready-to-use core is freed from the mostly two-part core box.
  • the process of passing the hardening gas through the molding sand is called gassing.
  • the synthetic resin binder is composed of two resin components which initially cannot react with one another and are brought to the curing reaction by practically only catalytic amounts of a third component (catalyst) contained in the hardener gas.
  • the molding sand contains the one component of a two-component synthetic resin, the second component being the hardening gas and reacting with the synthetic resin component contained in the molding sand to form the synthetic resin and curing.
  • resin hardening reactions which proceed rapidly at normal temperature are preferably used, the hardening gas stream being used either as pressurized gas and / or for gassing the molding sand body by means of a suction vacuum through the core box or molded box.
  • CO2 process water glass as binder; CO2 as hardener
  • SO2 process furan resins or phenol-modified furan resins as binders
  • SO2 as hardener the cold box process
  • phenol ether resins phenol ether resins or polyisocyanates as binders; dimethyl or trimethylamine as hardeners
  • beta set process in which a phenol-formaldehyde resin (resol) is used as the binder mixed into the molding sand and a C1 ⁇ 3 alkyl formate, in particular methyl formate, is used as the hardener component.
  • methyl formate can be removed from a storage container by sweeping air and passed through the core box as a hardener gas / carrier gas mixture.
  • the reactions of the beta set process and this process can be found, for example, in EP 0 086 615 B1, which also provides an overview of some resin curing processes.
  • the hardener gas is used in a large excess with respect to the amount of hardenable synthetic resin binder contained in the sand bale and in such a way that a current is present during the entire hardening process with the exception of a final resting phase of fresh hardener gas is passed through the sand bale.
  • hardener gas in excess is that - unlike harmless gas CO2 - special harmless gases are used in the case of not harmless hardener gases, i.e. SO2, alkylamines, alkyl formates and other gaseous chemicals that cause resin hardening reactions the air and to render these hardener substances used in excess harmless.
  • the hardener substances used in excess must be collected and isolated in a technically complex and costly manner.
  • the core molding machine is often additionally encapsulated to prevent higher amounts of harmful hardener gas from entering the atmosphere.
  • the environmental pollution and the efforts to remove the excess hardener gas quantities are naturally particularly great if the hardener gas is not only required in catalytic amounts, but is required as a second reaction component for the hardening reaction of the synthetic resin binder contained in the molding sand in large amounts of substance.
  • the core hardening processes disclosed therein relate to synthetic resin binder systems which are hardened by means of catalytically active hardening gases, and essentially no synthetic resin binder systems are used in which a first synthetic resin component contained in the molding sand with a second synthetic resin components contained in the hardening gas reacts to form a two-component synthetic resin, as is the case, for example, in the above-mentioned beta set process.
  • the hardener gas leaving the core box is partly pumped into a catalyst gas pressure container by means of purge air in a closed gas circulation system and enriched therein with a fresh amount of catalyst gas, after which the hardener gas / carrier gas mixture thus regenerated is used for a next core hardening process.
  • the catalyst gas / carrier gas mixture leaving the core box is subjected to a fractional distillation and the catalyst fraction obtained is fed to the general catalyst supply.
  • the process requires three interlinked, separate, self-contained process circuits, namely a working circuit leading through the core box and one working circuit each for cleaning the catalyst and for cleaning the carrier gas to be reused; Accordingly, the required device is assembled and connected in a diverse and complicated manner.
  • EP 0 128 974 B1 which relates to a molding machine for producing casting molds or cores from molding sand according to the vacuum shooting principle
  • the catalyst gas which is excessly passed through a closed core box is dispensed with by partially using the hardener gas leaving the core box a purge air flow, with which the core box is rinsed after the curing process, discharged into collecting pipes and transferred to a large-scale absorber.
  • the gas is transported into the absorber by means of an already existing vacuum device (0.95 bar), which gently sucks the hardener gas through the core box.
  • the device according to EP 0 128 974 B1 has the purpose, on the one hand, of being able to better adapt the sand compaction to the different properties of the molding sand and the changing operating conditions during core shooting and, on the other hand, to accelerate the hardening time by means of a more uniform gas flow through the sand bale with the hardener gas flow.
  • the core box has slot nozzles located in its side wall and bottom, which open into two side and one bottom-side gas collecting chamber, from which the unused stream of hardener gas is sucked off into the absorber.
  • the core box is to be operated via valves in such a way that the shooting air flow led through the core box into the above-mentioned gas collecting chambers is discharged to the outside, and that during fumigation and the subsequent purging with air escaping from the core box in the closed system into the absorber.
  • FR 2 437 894 discloses a process for core hardening by means of a catalyst (for example an amine), in which, in contrast to all the processes explained above, the hardener gas flow is not only one time, but by a closed, simple gas ring line, which is at the top and is connected to the bottom of the core box and has only one gas circulation pump, is pumped several times in a circuit through the core box.
  • the aim of this process is to ensure complete fumigation of the bale of sand in a core box which is flowed through unevenly during gassing; at the same time, the aim is to use only quantitative amounts of catalyst substance if possible.
  • the process is carried out in such a way that the core box filled with molding sand (in any way, but less by core shooting) is connected to the gas ring line, then the air filling of the closed system is set in motion with the gas circulation pump and then preferably on the vacuum side the circulation pump injects the catalytic amount of hardener substance into the closed pipe system in gaseous or liquid form.
  • the method according to FR 2 437 894 in which gassing of the sand bale is carried out by passing a circulating catalyst gas / air mixture, has not found its way into the practice of the core making. While the embodiment disclosed in FR 2 437 894 of a core or mold box with poor gas flow is hardly suitable for the use of the core shooting technique preferred in series production, the method and the device according to FR 2 437 894 are not suitable if for core hardening a synthetic resin system is provided in which the one synthetic resin component is specified in the molding sand and for the gassing of the sand bale the second synthetic resin component must be supplied in quantitatively high amounts of reactant to hardener gas.
  • a fundamental weakness of the method according to FR 2 437 894 is that there is no immediate first flow through the sand bale with a gas mixture that is as highly concentrated as possible in hardener gas, but that the hardener component is first diluted in the air volume of the closed gas system before it is in first contact with the synthetic resin binder contained in the sand bale.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus for the production of resin-bonded sand moldings, by means of which the hardening of the sand bale with a hardener gas or with a hardener gas / carrier gas mixture, the core or Mold boxes are to be supplied in comparatively high gas volumes, can be carried out in the closed gas system in such a way that the gases released after the hardening of the sand molding from the gas system can be released directly into the atmosphere without measures for the destruction of unused, harmful hardener gas or for its isolation Reuse may be required.
  • the task in particular boils down to Two-component resin systems, in which the one resin component is placed in the sand bale and the second reaction component consists of the hardening substance (hardening gas), to use the hardening gas in an amount that does not or only so does the theoretical consumption of hardening substance for reaction with the amount of synthetic resin contained in the sand bale moderately exceeds that the gas mixture released when the closed system is aerated after the sand hardening process contains a proportion of hardener substance in concentrations which do not exceed the permitted air emission limit values for the hardener substance. Furthermore, the invention pursues the goal of realizing the task in the core production according to the core shooting principle.
  • the invention is based in particular on the consideration of making the technical suggestion according to FR 2 437 894, namely to pass the hardening gas in the circuit several times through the sand bale, also for those processes in which large amounts of gas have to be absorbed by the closed gas circuit system either introduced directly into the circulatory system as a hardener gas / carrier gas mixture or formed in the circulatory system by evaporation of a liquid hardener substance, and for this purpose the circulatory system before the hardener substance introduction in order to empty a corresponding gas volume.
  • FIGS. 1 and 2 The explanation of the invention with regard to the aspect of the method according to the invention for the gassing of a sand bale for the purpose of curing to the resin-hardened sand molding in two gassing steps takes place with the aid of FIGS. 1 and 2, including explanations of the overall process of producing resin-hardened sand cores, namely in a core shooter by core shooting and the following Fumigation in the core box.
  • the core box 1 shown in FIGS. 1 to 3 is used for the production of sand cores by core shooting with subsequent gassing in the closed system of the sand bale (not shown) formed in the cavity 2 of the core box 1 with a hardening gas which releases the resin binder contained in the sand bale during two Fumigation steps can harden, whereby in first fumigation step, the hardener gas introduced into the fumigation system is passed through the sand bale for the first time, and after that, in a second fumigation step, the hardener gas not yet used by the resin binder is passed several times through the sand bale by pumping around the gas filling of the system in the circuit until it has fully cured .
  • FIGS. 1 and 2 showing the core box 1 in the operating state before the start of the gassing process, gas-tightly covered with a gassing plate 3.
  • FIGS. 1 and 2 showing the core box 1 in the operating state before the start of the gassing process, gas-tightly covered with a gassing plate 3.
  • FIGS. 1 and 2 Similar to the one above mentioned EP 1 128 974 B1 adjoin the core box 1 on opposite sides each have a gas collecting chamber 5 and on the bottom a gas collecting chamber 6, each gas collecting chamber 5 having a gas outlet valve 7 and the gas collecting chamber 6 having a gas valve 8 or being connected to such a valve .
  • the interior 2 of the core box 1 is connected in a gas-conducting manner via slot nozzles 9 to the chambers 5 and via slot nozzles 10 to the chamber 6.
  • the arrangement shown corresponds in principle to known devices.
  • either the core boxes 1 can be produced as a structural unit with the chambers 5 and 6, or the spaces of the chambers 5 and / or 6 are part of the core molding machine.
  • valves 7 are purely shut-off valves and open to the outside, while the valve 8 (a 3/2-way valve) has the function, among other things, of guiding a gas stream leaving the core box 1 at the bottom either into the outside or into the gas ring line 11.
  • the gas ring line 11 is connected at its other end to the gassing plate 3 and has a vacuum container 15 located in front of a gas feed pump 12, which can be evacuated by means of the pump 12.
  • the vacuum tank 15 is vented either when the 3/2-way valve 8, which shuts off the gas line 11, or by means of a gas shut-off valve 16 arranged in front of the tank 15, the air flow pumped out of the vacuum tank 15 via a behind the pump 12 in the line 11 arranged 3/2-way valve 17 is passed outdoors.
  • the vented vacuum tank 15 may have a capacity for It is sufficient to take up a gas volume (at the system pressure) which corresponds approximately to the amount of gas that the closed gas system has to take up when the hardener substance is introduced (the hardener gas / carrier gas mixture or the gas quantity resulting therefrom in the case of liquid hardener substance).
  • a hardener gas supply line 4 with a check valve 14 is used to introduce an exhaustive hardener gas carrier gas stream originating from a hardener gas source into the ring line 11 (FIG. 1), the gas ring line 11 also having a check valve 13 before the lines 4 and 11 come together.
  • a preferably volumetric metering device 23 is used, which sucks liquid hardener substance from a storage container 24 and injects it into a heatable evaporator 25 located in the gas ring line 11.
  • a check valve 13 in the gas ring line 11 is not required.
  • the ring line 11 can contain a dust and dirt filter 18 to protect the downstream devices, in particular the gas feed pump 12.
  • the manufacture of a sand core by means of the devices shown in FIGS. 1 and 2 begins with the shaping of the sand bale in the core box 1.
  • the molding sand containing synthetic resin binder is shot into the core box 1 in a conventional manner, the firing air and that from the cavity 2 of the Core box 1 air to be displaced through the slot nozzles 9 and 10 into the gas collecting chambers 5 and 6 and from there through the valves 7 and 8 into the open.
  • the firing plate (not shown) is exchanged for the gassing plate 3, the valves 7 are closed and the valve 8 is brought either to the passage to the gas line 11 or to the gas line 11 in the shut-off position. If the valve 8 to the gas line 11 is open, the valve 16 is to be closed. Then the underpressure tank 15 is vented to the outside by means of the gas feed pump 12 via the valve 17 and the underpressure in the tank 15 is maintained either with the pump 12 running or at switched off pump 12 by switching the valve 17 into a position that shuts off the line 11, upright.
  • the gassing process begins in such a way that with the start of the introduction of the hardening substance into the closed gas system, preferably synchronously with it, or also with a small pre-run or after-run with the pump 12 running and with the valve 17 open to the line 11, this now also occurs previously closed valve 8 or 16 opens to line 11 and the vented vacuum container 15 can be filled spontaneously with gas.
  • the gas flow in the container 15 flows only from the direction of the core box 1, and a high negative pressure acts spontaneously on the bottom-side gas collecting chamber 6, which sucks off a substantial part of the air previously contained in the core box 1 and the total amount of hardener introduced into the system as Sucks hardener gas through the sand bale for a first gassing step.
  • the hardener substance is introduced by supplying a hardener gas / carrier gas mixture under pressure through the hardener gas supply line 4, the pressure measured in front of the gassing plate 3 being at or above 1.5 bar.
  • the hardener substance is supplied in liquid form, the metering device 23 injecting a defined amount of the liquid hardener into the heatable evaporator 25 from the storage vessel 24, in which the hardener substance changes into the gas form and as the hardener gas Fumigation plate 3 is fed.
  • the fumigation of the sand bale prevails pumping around the contained in the system Gas mixture during an experimentally determined duration of pumping as a second gassing step until the sand bale has hardened to the core ready for use.
  • the second gassing step only begins at the end of the hardener gas supply line
  • the gas circulation is stopped by switching off the pump 12 and / or opening at least one of the valves 7, 8, 17, the core box 1 is removed from the core shooting machine and the hardened sand core is freed from the core box.
  • the hardener gas inflow from the hardener gas source occurs either in the known manner or, while the vacuum container 15 is not yet filled, by temporarily closing and opening one of the valves 8 and 16 at not interrupted flow of hardener gas, which also has the advantage that a higher pressure of hardener gas (higher hardener gas concentration) occurs in the sand bale or in the core box 1.
  • the pulsed hardener gas supply during the first gassing step with the pump 12 running can also take place by temporarily closing and opening one of the valves 8 and 16, or one injects the hardener liquid in several portions, which, however, does not allow a break in the gas flow through the sand bale when the gas circulation has already started.
  • the strong suction of the air contained in the sand structure prior to the first contact of the sand bale with the hardener gas requires the speed and completeness of the hardening of the resin binder contained in the sand bale with the hardener gas as the second reaction component, so that the saturation of the binder portion of the sand bale can actually be effected with almost only quantitative amounts of hardener substance use, as the test examples below demonstrate.
  • One of the reasons for the results made possible by the invention is that the air is removed from the gas supply line system before the fumigation begins, so that the hardener gas is effective in a concentration that is as little diluted with air as possible.
  • the air removal is essentially determined by the venting of the vacuum container 15 and is dependent on its capacity or its degree of venting. What has also been assumed so far is said to be air extraction in such a way Dimensions are made that the amount of air withdrawn corresponds approximately to the amount of gas that is introduced into the system for the fumigation of the bale of sand or is generated in it. This means that after the hardener gas has been introduced, the system should have a total amount of gas which theoretically corresponds to approximately atmospheric pressure. The conditions are practically different, however, since the hard gas combines with the synthetic resin component present in the molding sand and is thus removed from the system gas, which must inevitably lead to a progressive pressure loss in the line system.
  • This pressure drop which will not significantly affect the core hardening result, can either be accepted or counteracted by choosing the size or the degree of emptying of the vacuum container 15 in such a way that the air removal takes on a level which approximately compensates for the hardening gas shrinkage.
  • the method according to the invention tolerates operating the closed device with a gas filling which, seen above all, corresponds to normal pressure or a certain negative pressure or a certain positive pressure. But even with a gas filling that corresponds to atmospheric pressure, based on the gas volume of the system, there are different gas pressure areas with the gas feed pump 12 running, namely, as already mentioned above, in the range from about 1.5 to about 0.5 bar.
  • FIG. 4 The arrangement shown in FIG. 4 (vacuum container, valves and further details not shown) represents a mold box 19 which is open at the top for the production of more simply shaped and less thick sand moldings 2a.
  • the mold box 19 is also suitable for use in a core shooter and is sealed tightly with a gassing plate 20 after it has been filled with the resin binder-containing molding sand by core shooting, or otherwise by core plugging or by another conventional technique.
  • the sand bale is gassed in such a way that after the hardener gas feed has ended (first fumigation step), the gas mixture is conveyed through the sand core 2a in such a way that the pumped hardener gas / carrier gas mixture via the gas ring line 11 is introduced, for example, into the line 4 of the gassing plate 20 coming from the hardening gas source (not shown), then penetrates the sand core 2a and, via slot nozzles 10 in the bottom of the molding box 19, into one or more gas collecting lines 21 which surround or integrate the molding box 19 are, then leaves in one or more channels 22 integrated in the gassing plate 20, which form a pipe system with the gas collecting pipe or pipes 21, and finally discharged from these channels 22 into the ring pipe 11 and by means of the pump 12 for as long as Fumigation plate 20 is returned until the sand bale 2a to r Sand mold hardened is.
  • the flow paths described in relation to FIG. 3 make it possible to work with low pressures of the pumped-over hardening
  • test examples for the production of sand cores are given with a device according to FIG. 1 (examples 1 to 4) and with a device according to FIG. 2 (example 5).
  • the resin binder content of the molding sand was 1.8% by weight in test example 1 and 2.0% by weight in test examples 2 to 5.
  • the sand bale was produced in the core box by core shooting using the same operating conditions.
  • the device for carrying out the method according to the invention differs from the device for carrying out the conventional Process essentially only by connecting the lines for the circulation of the hardening gas.
  • the conventional process practiced corresponded to the standard of gassing the sand core by passing the hardening gas carrier gas stream through the core box once and withdrawing the gases emerging from the core box via the roof.
  • Example 4 hardening of sand cores according to the invention by means of an introduced hardener gas carrier gas stream, is based on a check of the emissions in the exhaust gas of a core shooter used in series production. The investigations became necessary because core shooters in Germany are subject to approval according to the fourth ordinance for the implementation of the Federal Immission Control Act and the technical instructions for keeping the air clean.
  • Example 5 shows operating data and results from the current practical series production of sand cores using the method of injecting the hardening substance (methyl formate), this operating mode only being able to be started after the measurement according to Example 4 has been carried out due to a further development.
  • the hardening substance methyl formate
  • Hardener gas supply time (s) 25th 10 Pulse sequence of the pulsed 2) hardener gas supply (s) / waiting time (s) 2/2 (7 pulses) 1/1 (5 pulses) Waiting time after completion of the hardener gas supply (s) 25th 40 3) (second fumigation step)
  • Amount of resin binder per core (g) 378 378
  • Amount of hardener added (g) 132 59.2 4) based on the resin binder (% by weight) 35 15
  • Theoretical hardener consumption (g) 47.6 47.6 Theoretically unused hardener (g) 84 11.6 1)
  • the tests refer to 125 shot cores.
  • the waiting time is to be understood as pumping time; in accordance with the delivery rate of the pump (approx. 25 m3 / h) and a gas volume of the closed system of approx. 20 l, the carrier gas hardening gas content of the closed system was circulated approximately 13 times. 4) average over 125 trials; determined by weight loss of the hardener gas source.
  • Hardener gas supply time (s) 12th 6 Pulse sequence of the pulsed 2) hardener gas supply (s) / waiting time (s) 2/2 (3 impulses) 0.4 / 1.6 (3 pulses) Waiting time after completion of the hardener gas supply (s) 6 12 3) (second fumigation step)
  • Amount of resin binder per core (g) 32.4 32.4
  • Amount of hardener added (g) 31.3 7.8 based on the resin content (% by weight) 96.7 24.0
  • the waiting time is to be understood as pumping time;
  • the carrier gas hardening gas volume of the closed system was circulated approximately 4 to 5 times.
  • test rods of 22 mm x 22 mm x 170 mm 4 rods per core box; longitudinal extension of the rods in the gas flow direction) from 132.5 g of molding sand with 2.0% by weight of resin binder (resol) using methyl formate as the hardening gas using an initial hardening gas Carrier gas mixture with a gassing pressure of 1.5 bar measured in front of the gassing plate.
  • Hardener gas supply time 1) (s) 15 5 (first fumigation step) Clock sequence 1) of the pulsed hardener gas supply (s) / waiting time (s) 1/1 (8 pulses) 0.8 / 1.2 (3 pulses) Waiting time after hardener gas supply (s) 10 (second fumigation step) Flexural strength after 3 h (N / cm2); 7 test items 12, 17, 18, 16, 16, 18, 12 13, 12, 13, 11, 12, 11, 13 Mean (N / cm2) 15.6 12.1 Flexural strength after 72 h (N / cm2); 7 test items 13, 12, 15, 15, 13, 12, 14 13, 14, 13, 12, 12, 8, 14 Mean (N / cm2) 13.4 12.3 1) It can be estimated from the hardener gas supply times and the cycle sequences that the hardener gas used in the sample rods fumigated according to the invention was about one third of the hardener gas consumption for the conventionally fumigated sample rods.
  • the hardened sand cores or sand moldings can be produced at the same working speed as in the conventional method of gassing in a single passage of the hardening gas through the sand bale.
  • the method according to the invention makes it possible to use it the technology of introducing the hardener gas as hardener gas / carrier gas mixture into the closed system, using quantities of hardener substance that only moderately exceed the theoretical consumption (25 to 100% excess hardener; tests 1 and 2). Accordingly, high savings in hardener substance and keeping the air clean within the permitted emission limit values for the hardener substance methyl formate are possible (example 4), without any measures being required to collect, isolate or treat the exhaust gas.
  • the process according to the invention also allows the hardener to be stoichiometric or almost stoichiometric (tests 1; 5, 10) or even to use sub-stoichiometric (test 12) for the production of resin-bonded sand moldings for metal casting.
  • the strength and stability of sand moldings which are produced by the new process according to the invention are not inferior to conventionally produced sand moldings, as the bending strength values for Example 3 show.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet des Metallgusses und betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Sandkernen bzw. Sandformen als Formstücke, die mit dem flüssigen Metall ausgegossen oder umgossen werden und beim Metallgießvorgang thermisch zerstört werden. Derartige Sandformkörper werden aus einem mit einem flüssigen Kunstharzbinder gemischten Formsand hergestellt, dessen Kunstharzbinderanteil mittels eines Härtegases zu einer Aushärtungsreaktion innerhalb eines Kernkastens bzw. Formkastens gebracht wird.
  • Im näheren betrifft die Erfindung ein Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von mit einem ausgehärteten Kunstharz gebundenen Sandformkörpern, insbesondere Sandkernen, in einer Kernformungsmaschine in zwei Herstellungsschritten, nämlich Ausformung des Sandformkörpers zu einem Sandballen durch Füllen eines Kernkastens oder eines Formkastens mit einem aus einem Gemisch eines Kernsandes mit einem flüssigen Kunstharzbinder bestehenden Formsand, dessen Kunstharzbinderanteil mittels einer gasförmig durch den Sandballen geleiteten Härterkomponente (Härtergas) zur Aushärtung gebracht werden kann, als erstem Herstellungsschritt, und nachfolgender Aushärtungsreaktion des Sandballens durch dessen Begasung mit dem Härtergas im gasdicht geschlossenen System, das den Kern- oder Formkasten und eine an dessen Kopfseite und an dessen Bodenseite angeschlossene Gas-Ringleitung mit einer Gasförderpumpe umfaßt, in der Weise, daß man die Härterkomponente entweder mittels eines Trägergases oder in flüssigem Zustand in die Gas-Ringleitung einschleust und mittels der Gasförderpumpe als Härtergas mehrmals im Kreislauf durch den Kern- oder Formkasten hindurchleitet, als zweitem Herstellungsschritt.
    • Stand der Technik
  • Die Herstellung der Sandformkörper erfolgt in großen Serien in Kernformungsmaschinen nach folgendem Verfahren in zwei Schritten. Im ersten Herstellungsschritt wird ein leerer Kern- oder Formkasten, dessen Hohl- oder Innenraum der Kontur des herzustellenden Sandkerns bzw. der Sandform entspricht, in die Kernformungsmaschine eingebracht, mit einer Einrichtung zum Einfüllen des Formsandes abgedeckt und mit dem Formsand ausgefüllt. Dazu ist unter anderem die Technik des Kernschießens bekannt, bei der der Formsand mittels eines Druckluftstromes von bis zu 7 bar in den Kernkasten geschossen wird. Dementsprechend werden die Kernformungsmaschine als Kernschießmaschine und die Einrichtung zur Abdeckung des Kernkastens als Schießplatte bezeichnet.
  • Im zweiten Herstellungschritt wird (um beim Beispiel des Kernschießens zu bleiben) nach Austausch der Schießplatte gegen eine Gaseinleitungseinrichtung (Begasungsplatte) das Härtergas auf und durch den in dem Kernkasten zum Sandballen ausgeformten Formsand geleitet, bis das in dem Sandballen enthaltene Bindemittel (Kunstharzbinder) je nach Kerngröße und je nach Art des Bindemittels und des Härtergases innerhalb von Sekunden oder Minuten ausgehärtet ist, wonach der Kernkasten aus der Kernschießmaschine herausgenommen und der gebrauchsfertige Kern aus dem zumeist zweiteiligen Kernkasten befreit wird. Den Vorgang des Hindurchleitens des Härtergases durch den Formsand bezeichnet man als Begasen.
  • Zur Aushärtung des Formsandes oder Sandballens zum Sandkern ist eine Mehrzahl von Varianten zweier Prinzipien geläufig. Nach dem einen Prinzip setzt sich der Kunstharzbinder aus zwei Harzkomponenten zusammen, die zunächst nicht miteinander reagieren können und durch praktisch nur katalytische Mengen einer im Härtergas enthaltenen dritten Komponente (Katalysator) zur Aushärtungsreaktion gebracht werden.
    Nach dem zweiten Prinzip enthält der Formsand die eine Komponente eines Zweikomponentenkunstharzes, wobei die zweite Komponente das Härtergas ist und mit der im Formsand enthaltenen Kunstharzkomponente zum Kunstharz reagiert und aushärtet.
    Bei beiden Prinzipien kommen bevorzugt bei Normaltemperatur schnell ablaufende Harzhärtungsreaktionen zur Anwendung, wobei man zur Begasung des Formsandkörpers den Härtergasstrom entweder als Druckgas und/oder mittels eines saugenden Unterdrucks durch den Kernkasten bzw. Formkasten fördert.
  • Als bekannte, bei Normaltemperatur ablaufende Kern-Härtungsverfahren seien genannt das CO₂-Verfahren (Wasserglas als Bindemittel; CO₂ als Härter), das SO₂-Verfahren (Furanharze oder phenolmodifizierte Furanharze als Bindemittel; SO₂ als Härter), das Cold-Box-Verfahren (Phenoletherharze oder Polyisocyanate als Bindemittel; Dimethyl- oder Trimethylamin als Härter). Ein dem Cold-Box-Verfahren nahestehendes Verfahren ist das sogenannte Beta-Set-Verfahren, bei dem als in den Formsand eingemischtes Bindemittel ein Phenol-Formaldehyd-Harz (Resol) und als Härterkomponente ein C₁₋₃-Alkylformiat, insbesondere Methylformiat, dienen. Methylformiat beispielsweise kann aus einem Vorratsbehälter durch überstreichende Luft abgeführt und als Härtergas-Trägergasgemisch durch den Kernkasten geleitet werden. Die Reaktionen des Beta-Set-Verfahrens und dieses Verfahren finden sich beispielsweise in der EP 0 086 615 B1 beschrieben, die auch einen Überblick über einige Harzhärtungsverfahren wiedergibt.
  • Nach sämtlichen konventionellen Begasungsverfahren wird - bis auf eine Ausnahme, die weiter unten erläutert wird - das Härtergas mit Bezug auf die im Sandballen enthaltene Menge an härtbarem Kunstharzbinder in einem hohen Überschuß und so eingesetzt, daß während des gesamten Aushärtungsprozesses mit Ausnahme einer abschließenden Ruhephase ein Strom von frischem Härtergas durch den Sandballen geleitet wird.
  • Der ersichtliche Nachteil einer solchen Verwendung von Härtergas im Überschuß liegt darin, daß - anders als bei dem harmlosen Gas CO₂ - bei nicht unbedenklichen Härtergasen, also unter anderem bei SO₂, Alkylaminen, Alkyformiaten und anderen gasförmigen Chemikalien, die Harzhärtungsreaktionen bewirken, besondere Maßnahmen zur Reinhaltung der Luft und zur Unschädlichmachung dieser im Überschuß eingesetzten Härtersubstanzen erforderlich sind. Die überschüssig eingesetzten Härtersubstanzen müssen technisch aufwendig und kostenaufwendig aufgefangen und isoliert werden. Häufig findet zusätzlich eine Einkapselung der Kernformungsmaschine zur Verhinderung des Eintretens von höheren Mengen an gesundheitsschädlichem Härtergas in die Atmosphäre statt.
  • Die Umweltbelastungen bzw. die Anstrengungen zur Beseitigung der überschüssigen Härtergasmengen sind naturgemäß besonders dann groß, wenn das Härtergas nicht in nur katalytischer Mengen benötigt wird, sondern als zweite Reaktionskomponente zur Aushärtungsreaktion des im Formsand enthaltenen Kunstharzbinders in hohen Substanzmengen erforderlich ist.
  • Wenngleich seit Jahrzenten die Kernherstellung unter Verwendung von gesundheitsgefährdenden Härtergasen im reaktiven Überschuß ausgeführt wird und erhebliche Anstrengungen unternommen worden sind, die überschüssigen Mengen an Härtergas zu sammeln, unschädlich zu machen und jedenfalls nicht in die Atmosphäre zu entlassen, blieb dieses Problem bis heute unbefriedigend gelöst. Soweit bisher versucht worden ist, für die Kernaushärtung eine Minimierung der erforderlichen Mengen an Härtergas zu erreichen, haben sich die Anstrengungen im wesentlichen auf eine Verbesserung der Durchströmung des Sandballens mit dem Zwecke der Erzielung höherer Reaktionsgeschwindigkeiten zwischen dem Harzbinder und dem Härtergas erstreckt, kombiniert mit einer Härtergasverwendung möglichst im geschlossenen System und mit der regelmäßig verbliebenen Notwendigkeit, die bei der Kernherstellung freiwerdenden Gase zu sammeln und deren Härtergasanteil zu isolieren.
  • Zum Stand der Technik werden folgende weiteren Druckschriften angegeben und nachfolgend gewürdigt. DE 25 26 875 B1, DE 26 20 303 B2; DE 25 50 588 B1; EP 0 128 974 B1;
    FR 2 437 894 (Patentschrift), von welcher die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 6 ausgehen.
  • Soweit diesen Dokumenten entnommen werden kann, beziehen sich die darin offenbarten Kern-Härtungsverfahren auf Kunstharzbindersysteme, die mittels katalytisch wirkender Härtergase zur Aushärtung gebracht werden, und es kommen im wesentlichen keine Kunstharzbinder-Systeme zur Verwendung, bei denen eine im Formsand enthaltene erste Kunstharzkomponente mit einer im Härtergas enthaltenen zweiten Kunstharzkomponenten zu einem Zweikomponenten-Kunstharz reagiert, wie dies beispielsweise bei dem oben genannten Beta-Set-Verfahren der Fall ist.
  • Nach der DE 25 26 875 B1 und der zugehörigen DE 26 20 303 B2 und ferner nach der DE 25 50 588 B1 sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die das Ziel verfolgen, das stark überschüssig eingesetzte Katalysatorgas-Trägergasgemisch nach der einmaligen Durchströmung des Sandballens nicht in die Atmosphäre gelangen zu lassen und bei einem nachfolgenden neuen Kernhärtungsvorgang wiederzuverwenden.
  • Dazu wird nach der DE 25 26 875 B1/DE 26 20 303 B2 das den Kernkasten verlassende Härtergas teils mittels Spülluft in einem geschlossenen Gaskreislaufsystem in einen Katalysatorgas-Druckbehälter gepumpt und darin mit einer frischen Menge an Katalysatorgas angereichert, wonach das so regenerierte Härtergas-Trägergasgemisch für einen nächsten Kernhärtungsvorgang eingesetzt wird.
  • Demgegenüber wird nach der DE 25 50 588 B1 das den Kernkasten verlassende Katalysatorgas-Trägergasgemisch einer fraktionierten Destillation unterworfen und die gewonnene Katalysatorfraktion dem allgemeinen Katalysatorvorrat zugeführt. Das Verfahren verlangt drei miteinander verkettete, getrennte, in sich geschlossene Verfahrenskreisläufe, nämlich einen durch den Kernkasten hindurchführenden Arbeitskreislauf und je einen Arbeitskreislauf zur Reinigung des Katalysator und zur Reinigung des wiederzuverwendenden Trägergases; dementsprechend ist die erforderliche Vorrichtung vielfältig und kompliziert zusammengesetzt und geschaltet.
  • Nach der EP 0 128 974 B1, die eine Formmaschine zum Herstellen von Gießformen oder -kernen aus Formsand nach dem Vakuum-Schießprinzip betrifft, verzichtet man auf eine Wiederverwendung des überschüssig durch einen geschlossenen Kernkasten geleiteten Katalysatorgases, indem man das den Kernkasten verlassende Härtergas teils mit einem Spülluftstrom, mit dem der Kernkasten nach dem Aushärtungsvorgang gespült wird, in Sammelrohren abführt und in einen großräumigen Absorber verbringt. Der Gasabtransport in den Absorber erfolgt mittels einer ohnehin vorhandenen Unterdruckeinrichtung (0,95 bar), die das Härtergas gelinde durch den Kernkasten saugt. Die Vorrichtung gemäß der EP 0 128 974 B1 verfolgt den Zweck, einerseits beim Kernschießen die Sandverdichtung den unterschiedlichen Beschaffenheiten des Formsandes und den sich ändernden Betriebsbedingungen besser anpassen zu können und andererseits die Aushärtungszeit durch eine gleichmäßigere Gasdurchströmung des Sandballens mit dem Härtergasstrom zu beschleunigen. Dazu weist der Kernkasten in dessen Seitenwand und Boden befindliche Schlitzdüsen auf, die in zwei seitliche und in eine bodenseitige Gasauffangkammer einmünden, aus denen der unverbrauchte Härtergasstrom in den Absorber abgesaugt wird. Der Kernkasten ist über Ventile so zu bedienen, daß der durch den Kernkasten in die genannten Gasauffangkammern geführte Schießluftstrom ins Freie abgeleitet wird, und daß die bei der Begasung und der nachfolgenden Spülung mit Luft aus dem Kernkasten austretenden Gase im geschlossenen System in den Absorber gelangen.
  • Schließlich ist nach der FR 2 437 894 ein Verfahren zur Kernaushärtung mittels eines Katalysators (z.B. ein Amin) offenbart, bei dem im Gegensatz zu sämtlichen zuvor erläuterten Verfahren der Härtergasstrom nicht nur einmal, sondern durch eine geschlossene, einfache Gas-Ringleitung, die am Kopf und am Boden des Kernkastens angeschlossen ist und lediglich eine Gasumwälzpumpe aufweist, mehrmals im Kreislauf durch den Kernkasten gepumpt wird. Ziel dieses Verfahrens ist es, bei einem Kernkasten, der beim Begasen ungleichmäßig durchströmt wird, für eine vollständige Begasung des Sandballens zu sorgen; zugleich wird angestrebt, mit möglichst nur quantitativen Mengen an Katalysatorsubstanz auszukommen. Das Verfahren wird in der Weise ausgeführt, daß man den (auf beliebige Weise, allerdings weniger durch Kernschießen) mit Formsand gefüllten Kernkasten mit der Gas-Ringleitung verbindet, dann die Luftfüllung des geschlossenen Systems mit der Gasumwälzpumpe in Bewegung setzt und danach vorzugsweise an der Unterdruckseite der Umwälzpumpe die katalytische Menge an Härtersubstanz gasförmig oder flüssig in das geschlossene Leitungssystem injiziert.
  • Soweit bekannt, hat das Verfahren gemäß der FR 2 437 894, bei dem die Begasung des Sandballens durch ein Durchleiten eines im Kreislauf geführten Katalysatorgas-Luftgemisches erfolgt, in die Praxis der Kernmacherei keinen Eingang gefunden.
    Während die in der FR 2 437 894 offenbarte Ausführungsform eines schlecht gasdurchströmbaren Kern- oder Formkastens bereits für die Anwendung der in der Serienfertigung bevorzugten Kernschießtechnik kaum geeignet ist, sind das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der FR 2 437 894 nicht geeignet, wenn für die Kernaushärtung ein Kunstharzsystem vorgesehen ist, bei dem die eine Kunstharzkomponente im Formsand vorgegeben ist und für die Begasung des Sandballens die zweite Kunstharzkomponente in quantitativ hohen Reaktantenmengen an Härtergas zugeführt werden muß. Denn die lediglich zur Aufnahme von kleinen Mengen einer Katalysatorsubstanz konzipierte Vorrichtung ist nicht in der Lage, hohe Gasmengen zusätzlich aufzunehmen. Dies sei nachfolgend erläutert. Nach dem in der FR 2 437 894 angegebenen Ausführungsbeispiel werden zur Aushärtung eines Sandballens von 400 g 17 ml einer Katalysatorgas-Trägergasmischung in ein geschlossenes Gassystem von etwa 10 l Luftfüllung von Atmosphärendruck injiziert, was den Gasdruck des Systems praktisch nicht verändert. Demgegenüber verlangt die Kernaushärtung auf Basis eines Zweikomponentenkunstharzes, wobei die erste Reaktionskomponente im Sandballen eingemischt ist und die zweite Reaktionskomponente, das Härtergas, üblicherweise in einem Trägergas zugeführt wird, die Einschleusung solch großer Gasmengen, welche in der Größenordnung des Rauminhalts des geschlossenen Systems liegen können, daß eine Vorrichtung gemäß der FR 2 437 894 überhaupt nicht in der Lage wäre, die benötigten Härtergasmengen in sich aufzunehmen.
    Im übrigen dürfte eine grundsätzliche Schwäche des Verfahrens gemäß der FR 2 437 894 darin liegen, daß keine unmittelbare erste Durchströmung des Sandballens mit einem an Härtergas möglichst hoch konzentrierten Gasgemisch erfolgt, sondern daß die Härterkomponente zunächst im Luftvolumen des geschlossenen Gassystems verdünnt wird, ehe es in einen ersten Kontakt mit dem im Sandballen enthaltenen Kunstharzbinder tritt.
  • Es ist festzustellen, daß die Fachwelt in Kenntnis der FR 2 437 894 einerseits dennoch nicht von der Praxis abgewichen ist, die Aushärtung der Sandformkörper nach wie vor durch einmaliges Durchströmen des Sandballens mit dem Härtergas auszuführen, und andererseits ersichtlich nicht erwogen hat oder zur Entwicklung geeigneter Lösungen aufgerufen hat, unter Nutzung des in der FR 2 437 894 offenbarten Prinzips zu einem höheren Ausnutzungsgrad des eingesetzten Härtergases zu gelangen, um dadurch den erheblichen Problemen entgegenzuwirken, wie sie insbesondere bei solchen Harzbindersystemen bislang hinzunehmen sind, bei denen das Härtergas als tatsächliche Reaktionskomponente für die in dem Formsand eingeemischte Kunstharzkomponente in hohen Mengen und im hohen reaktiven Überschuß einzusetzen ist.
  • Gegenüber dem geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von kunstharzgebundenen Sandformkörpern zur Verfügung zu stellen, mittels derer man die Aushärtung des Sandballens mit einem Härtergases oder mit einem Härtergas-Trägergasgemisch, die dem Kern- oder Formkasten in vergleichsweisen hohen Gasvolumina zuzuführen sind, im geschlossenen Gassystem so ausführen kann, daß die nach der Aushärtung des Sandformkörpers aus dem Gassystem freiwerdenden Gase unmittelbar in die Atmosphäre entlassen werden können, ohne daß Maßnahmen zur Vernichtung an unverbrauchtem, gesundheitsschädlichem Härtergas oder zu dessen Isolierung zwecks Wiederverwendung erforderlich werden. Die gestellte Aufgabe läuft insbesondere darauf hinaus, bei Zweikomponentenharzsystemen, bei denen die eine Harzkomponente im Sandballen vorgelegt wird und die zweite Reaktionskomponente aus der Härtersubstanz (Härtergas) besteht, das Härtergas in einer Menge einzusetzen, die den theoretischen Verbrauch an Härtersubstanz zur Reaktion mit der im Sandballen enthaltenen Menge des Kunstharzbinders nicht oder nur so mäßig übersteigt, daß das beim Belüften des geschlossenen Systems nach dem Sandhärtungsvorgang freiwerdende Gasgemisch einen Anteil an Härtersubstanz in Konzentrationen enthält, welche die zugelassenen Luftemissionsgrenzwerte für die Härtersubstanz nicht überschreiten. Desweiteren verfolgt die Erfindung das Ziel, die gestellte Aufgabe bei der Kernherstellung nach dem Kernschießprinzip zu realisieren.
  • Ausgehend von der in der FR 2 437 894 offenbarten Technik der Aushärtung von Sandformkörpern wird die Aufgabe bezüglich der Aushärtung verfahrensmäßig gemäß der Merkmale des Patentanspruchs 1 und vorrichtungsmäßig gemäß der Merkmale des Patentanspruchs 6 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 4 und 7 bis 9 bezeichnen Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. einer Vorrichtung zur Begasung des Sandballens, während der abhängige Patentanspruch 5 einen Verfahrensweg und die abhängigen Patentansprüche 10 und 11 zwei Vorrichtungen zur Herstellung der harzgehärteten Sandformkörper einschließlich des Ausformungsvorganges des Formsandes zum Sandballen angeben.
  • Demgemäß beruht die Erfindung insbesondere auf der Überlegung, die technische Anregung gemäß der FR 2 437 894, nämlich das Härtergas im Kreislauf mehrmals durch den Sandballen zu leiten, auch für solche Verfahren nutzbar zu machen, bei denen vom geschlossenen Gaskreislaufsystem hohe Gasmengen aufzunehmen sind, die entweder unmittelbar als Härtergas-Trägergasgemisch in das Kreislaufsystem eingebracht werden oder im Kreislaufsystem durch Verdampfung einer flüssig eingebrachten Härtersubstanz entstehen, und zu diesem Zweck das Kreislaufsystem vor der Härtersubstanzeinschleusung um ein entsprechendes Gasvolumen zu entleeren. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch Entlüftung eines in dem Gaskreislaufsystem befindlichen Unterdruckbehälters, der bei Beginn der Begasung geöffnet wird und spontan Gas aus dem zuvor mit Luft von Atmosphärendruck gefüllten, oder schon unter einem Unterdruck stehenden, Kern- oder Formkasten absaugt, was dazu führt, daß das eingeschleuste Härtergas den Sandballen in einem ersten Begasungsschritt in hoher Konzentration durchströmen kann, wonach dann das im System befindliche Härtergas-Luftgemisch im Kreislauf, als zweitem Begasungsschritt, mehrmals durch den Sandballen gepumt wird.
  • Die Erfindung wird sogleich an Beispielen und anhand von vier beispielhaften und schematischen Figuren allgemein und naher erläutert.
  • Es zeigt
    • Fig. 1
    den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Begasung eines in einem Kerkasten ausgeformten Sandballens mit einem (aus einer nicht gezeigten Härterquelle herangeführten) Härtergas-Trägergasgemisch;
    Fig. 2
    eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 zur Begasung des Sandballens mit einer als Flüssigkeit in die Vorrichtung hineinzubringenden Härterkomponente;
    Fig. 3
    einen den Fig. 1 und 2 entsprechenden Kernkasten (mit abgeänderter Innenraumkontur) und einige der mit dem Kernkasten zusammenwirkenden Einrichtungen zur Füllung des Kernkastens mit einem Formsand durch Kernschießen und anschließendem Begasen des Sandballens in detaillierterer Darstellung;
    Fig. 4
    einen nach oben offenen Formkasten gemäß der Erfindung mit dicht aufgesetzter Begasungsplatte zur erfindungsgemäßen Begasung eines in dem Formhasten ausgebildeten Sandballens.
    Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Die Erläuterung der Erfindung hinsichtlich des Aspekts des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Begasung eines Sandballens zwecks Aushärtung zum kunstharzgehärteten Sandformkörper in zwei Begasungsschritten erfolgt anhand der Fig. 1 und 2 unter Einbeziehung von Erläuterungen zum Gesamtvorgang der Herstellung von harzgehärteten Sandkernen, nämlich in einer Kernschießmaschine durch Kernschießen und nachfolgendem Begasen im Kernkasten.
  • Der in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Kernkasten 1 dient zur Herstellung von Sandkernen durch Kernschießen mit nachfolgendem Begasen im geschlossenen System des in dem Hohlraum 2 des Kernkastens 1 ausgebildeten Sandballens (nicht gezeigt) mit einem Härtergas, das den im Sandballen enthaltenen Harzbinder während zweier Begasungsschritte aushärten läßt, wobei im ersten Begasungsschritt das in das Begasungssystem eingeleitete Härtergas ein erstes Mal durch den Sandballen geführt wird, und wonach in einem zweiten Begasungsschritt das von dem Harzbinder noch nicht verbrauchte Härtergas durch Umpumpen der Gasfüllung des Systems im Kreislauf mehrmals durch den Sandballen bis zu dessen vollendeter Aushärtung geleitet wird.
  • Dazu sind die Teile des im wesentlichen konventionellen Kernkastens 1 in einer (nicht gezeigten) Kernformungsmaschine eingespannt, wobei die Fig. 1 und 2 den Kernkasten 1 im Betriebszustand vor Beginn des Begasungsvorganges zeigen, gasdicht abgedeckt mit einer Begasungsplatte 3. Ähnlich wie in der oben schon erwähnten EP 1 128 974 B1 grenzen an den Kernkasten 1 an sich gegenüberliegenden Seiten je eine Gasauffangkammer 5 und am Boden eine Gasauffangkammer 6 an, wobei jede Gasauffangkammer 5 ein Gasauslaßventil 7 und die Gasauffangkammer 6 ein Gasventil 8 aufweist bzw. mit einem solchen Ventil verbunden ist. Wie aus Fig. 3 am besten ersichtlich, ist der Innenraum 2 des Kernkastens 1 über Schlitzdüsen 9 mit den Kammern 5 und über Schlitzdüsen 10 mit der Kammer 6 gasleitend verbunden. Insoweit entspricht die gezeigte Anordnung grundsätzlich bekannten Vorrichtungen. Allerdings lassen sich zur Ausführung der vorliegenden Erfindung entweder die Kernkästen 1 als konstruktive Einheit mit den Kammern 5 und 6 herstellen, oder die Räume der Kammern 5 und/oder 6 sind Teil der Kernformungsmaschine.
  • Die Ventile 7 sind reine Absperrventile und öffnen ins Freie, während das Ventil 8 (ein 3/2-Wegeventil) unter anderem die Funktion hat, einen dem Kernkasten 1 am Boden verlassenden Gasstrom entweder ins Freie oder in die Gas-Ringleitung 11 zu leiten.
  • Die Gas-Ringleitung 11 steht an ihrem anderen Ende mit der Begasungsplatte 3 in Verbindung und weist einen vor einer Gasförderpumpe 12 gelegenen Unterdruckbehälter 15 auf, der mittels der Pumpe 12 evakuiert werden kann. Die Entlüftung des Unterdruckbehälters 15 erfolgt entweder bei einer Stellung des 3/2-Wegeventils 8, das die Gasleitung 11 absperrt, oder mittels eines vor dem Behälter 15 angeordneten Gasabsperrventils 16, wobei der aus dem Unterdruckbehälter 15 herausgepumpte Luftstrom über ein hinter der Pumpe 12 in der Leitung 11 angeordnetes 3/2-Wegeventil 17 ins Freie geleitet wird. Der entlüftete Unterdruckbehälter 15 hat gegebenenfalls ein Fassungsvermögen, das zur Aufnahme eines Gasvolumens (beim Systemdruck) ausreicht, das etwa derjenigen Gasmenge entspricht, die das geschlossene Gassystem bei der Einleitung der Härtersubstanz aufnehmen muß (das Härtergas-Trägergasgemisch bzw. die bei flüssig zugegebener Härtersubstanz daraus entstandene Gasmenge).
  • Zur Einleitung eines ausgänglichen, von einer Härtergasquelle stammenden Härtergas-Trägergasstromes in die Ringleitung 11 (Fig. 1) dient eine Härtergaszuleitung 4 mit Rückschlagventil 14, wobei die Gas-Ringleitung 11 vor der Zusammenmündung der Leitungen 4 und 11 ebenfalls ein Rückschlagventil 13 aufweist.
  • Für den Fall der Einleitung einer flüssigen Härtersubstanz in die Ringleitung 11 (Fig. 2) dient eine vorzugsweise volumetrisch arbeitende Doisiereinrichtung 23, die flüssige Härtersubstanz aus einem Vorratsbehälter 24 saugt und in einen in der Gas-Ringleitung 11 gelegenen, heizbaren Verdampfer 25 einspritzt. Ein Rückschlagventil 13 in der Gas-Ringleitung 11 ist nicht erforderlich.
  • Im übrigen kann die Ringleitung 11 ein Staub- und Schmutzfilter 18 zum Schutze der nachgeordneten Einrichtungen, insbesondere der Gasförderpumpe 12, enthalten.
  • Die Herstellung eines Sandkerns mittels der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtungen beginnt mit dem Ausformen des Sandballens in dem Kernkasten 1. Dazu wird der kunstharzbinderhaltige Formsand in konventioneller Weise in den Kernkasten 1 geschossen, wobei die Schießluft und die aus dem Hohlraum 2 des Kernkastens 1 zu verdrängende Luft durch die Schlitzdüsen 9 und 10 in die Gasauffangkammern 5 und 6 und aus diesen durch die Ventile 7 und 8 hindurch ins Freie treten.
  • Zur Vorbereitung der Begasung des im Kernkasten 1 gebildeten Sandballens werden die (nicht gezeigte) Schießplatte gegen die Begasungsplatte 3 ausgetauscht, die Ventile 7 geschlossen und das Ventil 8 entweder auf Durchgang zur Gasleitung 11 oder in Absperrstellung zur Gasleitung 11 gebracht. Steht das Ventil 8 zur Gasleitung 11 offen, so ist das Ventil 16 zu schließen. Danach entlüftet man den Unterdurckbehälter 15 mittels der Gasförderpumpe 12 über das Ventil 17 ins Freie und hält den Unterdruck im Behälter 15 entweder bei laufender Pumpe 12 oder bei abgeschalteter Pumpe 12 durch ein Umschalten des Ventils 17 in eine Stellung, die die Leitung 11 absperrt, aufrecht.
  • Sodann beginnt der Begasungsvorgang in der Weise, daß man mit dem Beginn der Einleitung der Härtersubstanz in das geschlossene Gassystem vorzugsweise synchron dazu oder auch mit einem kleinen zeitlichen Vor- oder Nachlauf bei laufender Pumpe 12 und bei zur Leitung 11 hin geöffnetem Ventil 17 nun auch das bisher geschlossene Ventil 8 bzw. 16 zur Leitung 11 hin öffnet und den entlüfteten Unterdruckbehälter 15 sich spontan mit Gas füllen läßt. Dabei strömt der Gasfluß in den Behälter 15 nur aus Richtung des Kernkastens 1, und an der bodenseitigen Gasauffangkammer 6 wirkt spontan ein hoher Unterdruck, der einen wesentlichen Teil der bislang im Kernkasten 1 enthaltenen Luft absaugt und die gesamte Menge der in das System eingebrachten Härtermenge als Härtergas zu einem ersten Begasungsschritt durch den Sandballen hindurchsaugt.
  • Die Einleitung der Härtersubstanz erfolgt bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 durch die Zufuhr eines Härtergas-Trägergasgemisches unter Druck durch die Härtergaszuführungsleitung 4 hindurch, wobei der vor der Begasungsplatte 3 gemessene Druck bei oder oberhalb von 1,5 bar liegen sollte.
  • Zur Vermeidung von Mißverständnissen wird darauf hingewiesen, daß sämtliche in der Beschreibung und in den Patentansprüchen angegebenen Drucke absolut angegeben sind (Druck bei vollkommenem Vakuum 0 bar; Atmosphärendruck 1 bar).
  • Im Falle einer Vorrichtung gemäß Fig. 2 erfolgt die Zuleitung der Härtersubstanz in flüssiger Form, wobei die Dosiereinrichtung 23 aus dem Vorratsgefäß 24 eine definierte Menge des flüssigen Härters in den heizbaren Verdampfer 25 spritzt, in dem die Härtersubstanz in die Gasform übergeht und als Härtergas der Begasungsplatte 3 zugeleitet wird.
  • Nachdem die gesamte zugesetzte Härtersubstanz durch den Sog des sich mit Gas, das aus dem Bereich des Kernkastens 1 stammt, füllenden Unterdruckbehälters 15 als Härtergas durch den Sandballen 1 gesaugt worden ist, und damit der erste Begasungsschritt beendet ist, setzt sich die Begasung des Sandballens durch ein Umpumpen des im System enthaltenen Gasgemisches während einer experimentell vorermittelten Dauer des Umpumpens als zweiter Begasungsschritt fort, bis der Sandballen zum gebrauchsfertigen Kern ausgehärtet ist.
  • Während bei der Technik des Einleitens des Härters als Härtergas-Trägergasgemisch (Fig. 1) der zweite Begasungsschritt erst bei Ende der Härtergaszuleitung einsetzt, kann es bei der Methode, den Härter flüssig einzuspritzen (Fig. 2), von Vorteil sein, das Umpumpen für den zweiten Begasungsschritt schon zu beginnen, bevor die Härtermenge vollständig eingespritzt ist, da dann das im Verdampfer 25 entstehende Härtergas mit höherem Druck der Begasungsplatte 3 zugeleitet wird.
  • Zum Abschluß der Begasung wird die Gasumwälzung durch Abschalten der Pumpe 12 und/oder Öffnen wenigstens eines der Ventile 7, 8, 17 beendet, der Kernkasten 1 aus der Kernschießmaschine herausgenommen und der gehärtete Sandkern aus dem Kernkasten befreit.
  • Die oben genannte, während des ersten Begasungsschrittes von der bodenseitigen Gasauffangkammer 6 des Kernkastens 1 wegführende Einbahnrichtung der Gasströmung in den sich füllenden Unterdruckbehälter 15 ist im Falle der Fig. 2 durch die Förderleistung der Pumpe 12 oder durch Absperren der Leitung 11 mittels des Ventils 17 bedingt und im Falle der Fig. 1 durch das Rückschlagventil 13 gesichert.
  • Während beider Begasungsschritte findet wegen der geschlossenen Ventile 7 weder ein Hineintreten von Härtergas in die Gasauffangkammern 5 noch ein Ansaugen von Falschluft aus den Gasauffangkammern 5 in nennenswertem Umfange statt, so daß der gesamte durch den Sandballen führende Härtergasfluß durch die Begasungsplatte 3 in den Kernkasten 1 eingelassen und über die Begasungsschlitze 10 aus dem Kernkasten 1 herausgelassen wird.
  • Bei Ausführung des zweiten Begasungsschrittes durch Umpumpen des Gases des gemäß der Fig. 1 und 2 geschlossenen Leitungssystems mittels der Pumpe 12 herrscht praktischerweise vor der Pumpe 12 ein Druck von 0,5 bar und hinter der Pumpe 12 ein Druck von 1,5 bar.
  • Nach dem Stand der Technik, soweit er die konventionelle Begasungstechnik der einmaligen Durchleitung des Härtergases durch einen Kern- oder Formkasten betrifft, ist bekannt, einen Härtergas-Trägergasstrom der Begasungsplatte in Gasimpulsen (getaktet) zuzuführen, um dem durch den Sandballen gehenden Härtergasstrom größere Verweilzeiten in dem Sandballen zur besseren Ausbreitung und zur Reaktionszeiterhöhung im Sandgefüge zu ermöglichen. Diese Verfahrensführung läßt sich ebenso bei dem Verfahren und bei den Vorrichtungen gemäß der Erfindung ausüben.
  • Im Falle des Einsatzes eines Härtergas-Trägergasgemisches (Fig. 1) erfolgt der Härtergaszustrom aus der Härtergasquelle in Impulsen entweder in der bekannten Weise oder, während der Unterdruckbehälter 15 noch nicht gefüllt ist, durch zeitweiliges Schließen und Öffnen eines der Ventile 8 und 16 bei nicht unterbrochenem Härtergaszustrom, womit zugleich der Vorteil verbunden ist, daß sich im Sandballen bzw. im Kernkasten 1 ein pulsweise erhöhter Härtergasdruck (höhere Härtergaskonzentration) einstellt.
  • Im Falle des Einsatzes eines flüssigen Härters (Fig. 2), der im Verdampfer 25 in die Gasphase übergeht, kann die gepulste Härtergaszufuhr während des ersten Begasungsschrittes bei laufender Pumpe 12 ebenfalls durch zeitweiliges Schließen und Öffnen eines der Ventile 8 und 16 erfolgen, oder man spritzt die Härterflüssigkeit in mehreren Portionen ein, was bei schon begonnener Gasumwälzung dann allerdings keine Pause der Gasdurchströmung des Sandballens zuläßt.
  • Wie sich bei der Entwicklung des Begasungsverfahrens gemäß der Erfindung herausgestellt hat, fordert gerade das dem ersten Kontakt des Sandballens mit dem Härtergas vorausgehende starke Absaugen der im Sandgefüge enthaltenen Luft die Geschwindigkeit und Vollständigkeit der Aushärtung des im Sandballen enthaltenen Harzbinders mit dem Härtergas als zweiter Reaktionskomponente, so daß sich die Absättigung des Binderanteils des Sandballens tatsächlich mit nahezu nur quantitativen Mengen an Härtersubstanzeneinsatz bewirken läßt, wie die weiter unten angeführten Versuchsbeispiele belegen. Mitursächlich für die Ergebnisse, die die Erfindung ermöglicht, ist außerdem der vor Beginn der Begasung vorgenommene Luftentzug aus dem Begasungsleitungssystem, so daß das Härtergas in mit Luft möglichst wenig verdünnter Konzentration zur Wirkung gelangt.
  • Dabei wird, soweit bisher beschrieben, der Luftentzug im wesentlichen durch die Entlüftung des Unterdruckbehälters 15 bestimmt, und ist abhängig von dessen Fassungsvermögen bzw. dessen Entlüftungsgrad. Wovon bislang ebenfalls ausgegangen worden ist, soll der Luftentzug in solchem Ausmaße vorgenommen werden, daß die entnommene Luftmenge etwa der Gasmenge entspricht, die zur Begasung des Sandballens in das System eingeleitet wird oder in ihm entsteht. Dies bedeutet, daß das System nach der Härtergaseinleitung insgesamt eine Gasmenge aufweisen müßte, die theoretisch etwa Atmosphärendruck entspricht. Die Verhältnisse liegen praktisch aber anders, da sich das Hartergas mit der in Formsand vorliegenden Kunstharzkomponente verbindet und so dem Systemgas entzogen wird, was zwangsläufig zu einem fortschreitenden Druckverlust im Leitungssystem führen muß.
  • Dieser Druckverlust kann, was das Kernaushärtungsergebnis nicht wesentlich beeinflussen wird, entweder hingenommen werden oder man steuert ihm dadurch entgegen, daß man die Größe oder den Entleerungsgrad des Unterdruckbehälters 15 so wählt, das der Luftentzug ein Ausmaß annimmt, das den Härtergasschwund in etwa ausgleicht. Wie die praktischen Verhältnisse auch immer liegen, verträgt es das Verfahren gemäß der Erfindung, die geschlossene Vorrichtung mit einer Gasfüllung zu betreiben, die, über alles gesehen, Normaldruck oder einem gewissen Unterdruck oder einem gewissen Überdruck entspricht. Aber selbst bei einer Gasfüllung, die, bezogen auf das Gasvolumen des Systems, Atmosphärendruck entspricht, herrschen bei laufender Gasförderpumpe 12 davon abweichende Gasdruckgebiete, nämlich, wie weiter oben schon genannt, im Bereich von etwa 1,5 bis etwa 0,5 bar.
  • Allzuhohe Überdrucke sollten aber vermieden werden, um sicherzustellen, daß keine wesentlichen Mengen an Härtersubstanz aus dem mehrteiligen und oben mit der Begasungsplatte 3 abzudichtenden Kernkasten 1 entweichen können.
  • Um die Einsatzfähigkeit der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Vorrichtungen ohne weiteres insbesondere höheren unterschiedlichen Gasmengen, die in das Begasungssystem einzuleiten sind, anpassen zu können, lassen sich statt nur eines einzigen Unterdruckbehälters 15 mehrere solcher, parallel zueinander geschaltete, Behälter 15, denen jeweils ein Absperrventil 16 vorgeschaltet ist, vorsehen. Dann ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, das Begasungssystem den sich ändernden Bedingungen anzupassen, wenn sich die Größe der herzustellenden Sandformkörper und/oder die Menge an einzusetzendem Härtergas (z.B. abhängig von der Menge an Harzbinder im Sandballen) von Herstellungs- zu Herstellungsserie ändern, oder wenn der Unterdruck zur Einsaugung des Härtergases für den ersten Begasungsschritt auf andere Ausgangswerte eingestellt werden soll. Denn jeder der gegebenenfalls unterschiedlich großen Behälter 15 läßt sich einzeln auswählen, oder es sind eine Auswahl von mehreren vorhandenen Behältern 15 gleichzeitig in bzw. außer Funktion zu setzen.
  • Schließlich sei noch eine im Erfindungsgedanken liegende Möglichkeit angegeben, die Inertgasmenge des Begasungssystems zugunsten einer höheren Härtergaskonzentration klein zu halten und ferner den Unterdurck im Kernkasten zur Unterstützung des Einlassens des Härtergases für den ersten Begasungsschritt zu unterstützen. Beide Effekte lassen sich dadurch fördern, daß man, anstatt nur den oder die Unterdruckbehälter 15 zu entlüften, auch den Bereich des Kernkastens 1 vor Beginn der Begasung jedenfalls teilweise entlüftet hat. Dies geschieht nach dem Aufsetzen der Begasungsplatte 3 ebenfalls mit der Pumpe 12 durch den Unterdruckbehälter 15 hindurch, wonach man das Ventil 8 oder das Ventil 16 schließt und den oder die Behälter 15 bis zum Entlüftungsendzustand weiter entlüftet.
  • Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung (Unterdruckbehälter, Ventile und weitere Einzelheiten nicht gezeigt) stellt einen an sich nach oben offenen Formkasten 19 zur Herstellung von einfacher geformten und weniger dicken Sandformkörpern 2a dar. Der Formkasten 19 ist ebenfalls zur Verwendung in einer Kernschießmachine geeignet und wird mit einer Begasungsplatte 20 dicht geschlossen, nachdem er durch Kernschießen, oder ansonsten durch Kernstopfen oder mittels einer anderen konventionellen Technik, mit dem harzbinderhaltigen Formsand befüllt worden ist. In Anwendung der zu den Fig. 1 und 2 geschilderten Begasungstechniken wird der Sandballen so begast, daß nach Beendigung der Härtergaseinspeisung (erster Begasungsschritt) das Gasgemisch in der Weise durch den Sandkern 2a gefördert wird, daß das umgepumpte Härtergas-Trägergasgemisch über die Gas-Ringleitung 11 beispielsweise in die von der (nicht gezeigten) Härtergasquelle kommende Leitung 4 der Begasungsplatte 20 eingeleitet wird, dann den Sandkern 2a durchdringt und über Schlitzdüsen 10 im Boden des Formkastens 19 in eine oder mehrere Gasauffangleitungen 21, die den Formkasten 19 umgeben oder in ihm integriert sind, verläßt, dann in einen oder in mehrere in der Begasungsplatte 20 integrierte Kanäle 22, die mit dem oder den Gasauffangleitungen 21 ein Leitungssystem bilden, aufsteigt, und schließlich aus diesen Kanälen 22 in das Ringleitungsrohr 11 ausgeschleust und mittels der Pumpe 12 so lange der Begasungsplatte 20 wieder zurückgeführt wird, bis der Sandballen 2a zur Sandform ausgehärtet ist. Die zu Fig. 3 beschriebenen Strömungswege erlauben in besonderem Maße, mit geringen und die Konsistenz des Sandballens schonenden Drucken des umgepumpten Härtergases zu arbeiten.
    • Versuchsbeispiele
  • Nachfolgend werden fünf Versuchsbeispiele zur Herstellung von Sandkernen mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 (Beispiele 1 bis 4) und mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 2 (Beispiel 5) angegeben.
  • Bei sämtlichen Versuchen wurde ein Zweikomponentenkunstharz-System verwendet, bei dem die eine Komponente im Formsand als Harzbinder eingemischt ist und die zweite Komponente das Härtergas ist. Als Reaktanten dienten (gemäß des Beta-Set-Verfahrens)
    • als Harzbinder ein Phenolharz (Resol) der Dichte 1,2 g/cm³ (bei 20 °C) und einer Viskosität (bei 20 °C) von etwa 300 mPa·s;
    • als Härtersubstanz Methylformiat (Ameisensäuremethylester) einer einer Dichte von 0,97 g/cm³, einer Siedetemperatur von 32 °C und eines Dampfdrucks von 640 mbar bei 20 °C; die Molmasse von Methylformiat beträgt 60,05 g/mol;
    • der theoretische Verbrauch an Härter (Methylformiat) zur vollständigen Reaktion mit dem Harzbinder (Resol) beträgt 12,6 g Härter / 100 g Harzbinder.
  • Der Harzbinderanteil des Formsandes betrug beim Versuchsbeispiel 1 1,8 Gew.% und lag bei den Versuchsbeispielen 2 bis 5 bei 2,0 Gew.%.
  • Die Herstellung des Sandballens im Kernkasten erfolgte in sämtlichen Fällen durch Kernschießen unter Anwendung übereinstimmender Betriebsbedingungen.
  • Soweit Vergleichsversuche (Beispiele 1 bis 3) zum Stand der Technik vorgenommen worden sind, sind diese mit derselben Kernschießmaschine und mit derselben Härtergas-Trägergas-Quelle und -Zuleitungseinrichtung unter insoweit gleichen Betriebsbedingungen ausgeführt worden.
    Die Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung unterscheidet sich von der Vorrichtung zur Ausübung des konventionellen Verfahrens im wesentlichen nur durch den Anschluß der Leitungen für die Kreislaufführung des Härtergases.
    Das ausgeübte konventionelle Verfahren entsprach dem Standard der Begasung des Sandkernes durch einmaliges Hindurchleiten des Härtergas-Tragergasstromes durch den Kernkasten und Abziehen der aus dem Kernkasten austretenden Gase über Dach.
  • Beispiel 4, gemäß der Erfindung ausgeführte Aushärtung von Sandkernen mittels eines eingeleiteten Härtergas-Trägergasstromes, beruht auf einer Überprüfung der Emissionen im Abgas einer in der Serienfertigung eingesetzten Kernschießmaschine. Die Untersuchungen wurden erforderlich, da Kernschießmaschinen in Deutschland der Genehmigungspflicht nach der Vierten Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetztes und nach der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft unterliegen.
  • Beispiel 5 zeigt Betriebsdaten und -ergebnisse aus der laufenden praktischen Serienherstellung von Sandkernen durch Anwendung des Verfahrens der Einspritzung der Härtersubstanz (Methylformiat), wobei diese Betriebsweise erst nach Ausführung der Messung gemäß Beispiel 4 aufgrund einer Weiterentwicklung aufgenommen werden konnte.
    • Beispiel 1
  • Vergleichsversuche zur Herstellung von Sandkernen aus 21 kg Formsand mit 1,8 Gew.% Harzbinder (Resol) mittels Methylformiat als Härtergas durch Verwendung eines ausgänglichen Härtergas-Trägergasgemisches mit einem vor der Begasungsplatte gemessenen Begasungsdruck von 1,5 bar.
    konventionell gemäß Erfindung 1)
    Härtergaszuführungszeit (s) 25 10 (erster Begasungsschritt)
    Taktfolge der gepulsten 2) Härtergaszuführung Zufuhr (s) / Wartezeit (s) 2/2 (7 Impulse) 1/1 (5 Impulse)
    Wartezeit nach Abschluß der Härtergaszufuhr (s) 25 40 3) (zweiter Begasungsschritt)
    Harzbindermenge pro Kern (g) 378 378
    Zugesetzte Härtermenge (g) 132 59,2 4)
    bezogen auf den Harzbinder (Gew.%) 35 15
    Theoretischer Härterverbrauch (g) 47,6 47,6
    Theoretisch nicht verbrauchter Härter (g) 84 11,6
    1) Die Versuche beziehen sich auf 125 geschossene Kerne.
    2) Durch Unterbrechumg des Zustroms aus der Härtergasquelle.
    3) Die Wartezeit ist als Umpumpzeit zu verstehen; gemäß der Förderleistung der Pumpe (etwa 25 m³/h) und einem Gasvolumen des geschlossenen Systems von etwa 20 l wurde der Trägergas-Härtergasinhalt des geschlossenen Systems etwa 13 mal umgewälzt.
    4) Mittelwert über 125 Versuche; bestimmt durch Gewichtsverlust der Härtergasquelle.
    • Beispiel 2
  • Vergleichsversuch zur Herstellung von Sandkernen aus 1,62 kg Formsand mit 2,0 Gew.% Harzbinder (Resol) mittels Methylformiat als Härtergas durch Verwendung eines ausgänglichen Härtergas-Trägergasgemisches mit einem vor der Begasungsplatte gemessenen Begasungsdruck von 1,5 bar.
    konventionell gemäß Erfindung 1)
    Härtergaszuführungszeit (s) 12 6 (erster Begasungsschritt)
    Taktfolge der gepulsten 2) Härtergaszuführung Zufuhr (s) / Wartezeit (s) 2/2 (3 Impulse) 0,4/1,6 (3 Impulse)
    Wartezeit nach Abschluß der Härtergaszufuhr (s) 6 12 3) (zweiter Begasungsschritt)
    Harzbindermenge pro Kern (g) 32,4 32,4
    Zugesetzte Härtermenge (g) 31,3 7,8
    bezogen auf den Harzanteil (Gew.%) 96,7 24,0
    Theoretischer Härterverbrauch (g) 3,9 3,9
    Theoretisch nicht verbrauchter Härter (g) 27,4 3,9
    1) Die Versuche beziehen sich auf 4165 geschossene Kerne.
    2) Durch Unterbrechung des Zustromes aus der Härtergasquelle
    3) Die Wartezeit ist als Umpumpzeit zu verstehen; gemäß der Förderleistung der Pumpe (etwa 25 m³ /h) und einem Gasvolumen des geschlossenen Systems von etwa 20 l wurde das Trägergas-Härtergasvolumen des geschlossenen Systems etwa 4 bis 5 mal umgewälzt.
    • Beispiel 3
  • Herstellung von Probestäben von 22 mm x 22 mm x 170 mm (4 Stäbe je Kernkasten; Längserstreckung der Stäbe in Gasströmungsrichtung) aus 132,5 g Formsand mit 2,0 Gew.% Harzbinder (Resol) mittels Methylformiat als Härtergas durch Verwendung eines ausgänglichen Härtergas-Trägergasgemisches mit einem vor der Begasungsplatte gemessenen Begasungsdruck von 1,5 bar.
    konventionell gemäß Erfindung
    Härtergaszuführungszeit1) (s) 15 5 (erster Begasungsschritt)
    Taktfolge 1) der gepulsten Härtergaszuführung Zufuhr (s) / Wartezeit (s) 1/1 (8 Impulse) 0,8/1,2 (3 Impulse)
    Wartezeit nach Härtergaszufuhr (s) 10 (zweiter Begasungsschritt)
    Biegefestigkeit nach 3 h (N/cm²); 7 Prüflinge 12, 17, 18, 16, 16, 18, 12 13, 12, 13, 11, 12, 11, 13
    Mittelwert (N/cm²) 15,6 12,1
    Biegefestigkeit nach 72 h (N/cm²) ; 7 Prüflinge 13, 12, 15, 15, 13, 12, 14 13, 14, 13, 12, 12, 8, 14
    Mittelwert (N/cm²) 13,4 12,3
    1) Aus den Härtergaszuführungszeiten und den Taktfolgen kann abgeschätzt werden, daß der Härtergaseinsatz bei den gemäß der Erfindung begasten Probestäben etwa ein Drittel des Härtergasverbrauchs für die konventionell begasten Probestäbe betrug.
    • Beispiel 4
  • Nach den gesetzlichen Vorschriften zur Reinhaltung der Luft ausgeführte Emissionsmessungen bei der erfindungsgemäßen Herstellung von Sandkernen aus Formsand mit 2 Gew.% Harzbinder (Resol) mittels Methylformiat als Härtergas durch Verwendung eines ausgänglichen Härtergas-Trägergasgemisches mit einem vor der Begasungsplatte gemessenen Begasungsdruck von 1,5 bar.
    Die Emissionswerte wurden als Halbstundenmittelwerte bestimmt.
    Betriebsbedingungen der Kernschießmaschine:
    Nennleistung (kg/h) 200
    Formsanddurchsatz (kg/h) 132
    Harzbinderdurchsatz (kg/h) 2,6
    Methylformiatdurchsatz (kg/h) 0,55
    Emissionswerte:
    Höchster ermittelter Massenstrom (kg/h)
    Methylformiat 0,069
    Phenol 0,131
    Formaldehyd 0,375
    Niedrigste/höchste ermittelte Massenkonzentration (mg/m³) Zulässiger Grenzwert
    Methylformiat 23,8 / 30,5 100
    Phenol 0,074 / 0,080 20
    Formaldehyd 0,14 / 0,23 20
    • Beispiel 5
  • Herstellung von Sandkernen aus Formsand mit 2,0 Gew.% Harzbinder (Resol) durch Kernschießen und Begasen gemäß der Erfindung mit flüssig eingesetztem Methylformiat als Härter. Der Härter wurde in einer bis drei Portionen hintereinander (mit einer Verzögerungszeit von 5 oder 8 s zwischen den Portionen) während einer Zeitspanne von 30 oder 38 s eingespritzt, wobei der Umpumpkreislauf etwas verzögert zum Einspritzbeginn in Gang und etwa 15 s nach Beendigung des Einspritzvorgangs außer Gang gesetzt wurde. Die Ergebnisse beziehen sich auf jeweils eine Tagesproduktion (etwa 300 bis 350 Sandkerne) desselben Kernmodells.
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
  • Die Versuchsbeispiele 1 bis 5 zeigen folgende, die Lösung der Aufgabe der Erfindung hervorragend erfüllenden Ergebnisse.
    Gemäß der Erfindung lassen sich die ausgeharteten Sandkerne bzw. Sandformkörper in derselben Arbeitsgeschwindigkeit herstellen wie beim herkömmlichen Verfahren der Begasung im einmaligen Durchgang des Härtergases durch den Sandballen. Während jedoch nach dem Stand der Technik beim Kunstparzbinder/Härter-System Phenolharz (Resol)/Methylformiat ein Härterüberschuß von 200 bis 700 % des theoretischen (stöchiometrischen) Verbrauchs erforderlich ist (Beispiele 1 und 2), ermöglicht es das Verfahren gemäß der Erfindung bei Anwendung der Technik, das Härtergas als Härtergas-Tragergasgemisch in das geschlossene System einzuleiten, mit Mengen an Härtersubstanz auszukommen, die den theoretischen Verbrauch nur mäßig übersteigen (25 bis 100 % Härterüberschuß; Versuche 1 und 2). Dementsprechend sind hohe Einsparungen an Härtersubstanz und eine Reinhaltung der Luft innerhalb der zugelassenen Emissionsgrenzwerte für die Härtersubstanz Methylformiat möglich (Beispiel 4), ohne daß es irgendwelcher Maßnahmen bedarf, das Abgas aufzufangen, zu isolieren oder zu behandeln. Wie schließlich die Ergebnisse zu dem ausgereifteren Verfahren, nämlich den Härter unmittelbar als Flüssigkeit in das geschlossene Begasungssystem einzuleiten, zeigen (Beispiel 5), läßt das Verfahren gemäß der Erfindung auch zu, den Härter stöchiometrisch oder nahezu stöchiometrisch (Versuche 1; 5, 10) oder sogar unterstöchiometrisch (Versuch 12) zur Herstellung von kunstharzgebundenen Sandformkörpern für den Metallguß einzusetzen. Die Festigkeit und Stabilität von Sandformkörpern, die nach dem neuen Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt sind, stehen konventionell gefertigten Sandformkörpern nicht nach, wie die Biegefestigkeitswerte zu Beispiel 3 zeigen.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung von für den Metallguß benötigten, mit einem ausgehärteten Kunstharz gebundenen Sandformkörpern, insbesondere Sandkernen, in einer Kernformungsmaschine in zwei Herstellungsschritten, nämlich
    - Ausformung des Sandformkörpers zu einem Sandballen durch Füllen eines Kernkastens (1) oder eines Formkastens mit einem aus einem Gemisch eines Kernsandes mit einem flüssigen Kunstharzbinder bestehenden Formsand, dessen Kunstharzbinderanteil mittels einer gasförmig durch den Sandballen geleiteten Härterkomponente (Härtergas) zur Aushärtung gebracht werden kann, als erstem Herstellungsschritt,
    - und nachfolgender Aushärtungsreaktion des Sandballens durch dessen Begasung mit dem Härtergas im gasdicht geschlossenen System, das den Kern- oder Formkasten (1, 19) und eine an dessen Kopfseite und an dessen Bodenseite angeschlossene Gas-Ringleitung (11) mit einer Gasförderpumpe (12) umfaßt, in der Weise, daß man die Härterkomponente entweder mittels eines Trägergases oder in flüssigem Zustand in die Gas-Ringleitung (11) einschleust und mittels der Gasförderpumpe (12) als Härtergas mehrmals im Kreislauf durch den Kern- oder Formkasten (1, 19) hindurchleitet, als zweitem Herstellungsschritt,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß man vor Beginn des zweiten Herstellungsschrittes den Gasinhalt des mit Luft von Atmosphärendruck gefüllten geschlossenen Systems durch Entlüftung wenigstens eines dem Kern- oder Formkastens (1, 19) nachgeschalteten, in der Gas-Ringleitung (11) gelegenen Unterdruckbehälters (15) unter Aufrechterhaltung des Atmosphärendrucks in dem Kern- oder Formkasten (1, 19), oder wahlweise unter gleichzeitiger Vornahme einer Teilentlüftung des Kern- oder Formkastens (1, 19), um eine Gasmenge verringert, die etwa der in das geschlossene System hineinzulassenden Gasmenge an Härtergas-Trägergasgemisch bzw. der bei der vollständigen Verdampfung der in das geschlossene System flüssig eingebrachten Härterkomponente gebildeten Gasmenge entspricht,
    - und daß man zur Ausführung des zweiten Herstellungsschrittes gleichzeitig oder annähernd gleichzeitig mit dem in der Nähe der Eingangsseite des Kern- oder Formkastens (1, 19) stattfindenden Einschleusen der Härterkomponente in die Gas-Ringleitung (11) des geschlossenen Systems einen an dem Kern- oder Formkasten (1, 19) durch Belüftung des Unterdruckbehälters (15) wirkenden hohen Unterdruck anlegt, der den Kern- oder Formkasten (1, 19) entlüftet, oder weiter entlüftet, und die dem System zugegebene Härterkomponente durch den Sandballen saugt, als erster Begasungsschritt, wonach die Gasfüllung des geschlossenen Systems mittels der Gasförderpumpe (12) mehrmals bis zur vervollständigten Aushärtung des Sandformkörpers durch den Sandballen gepumpt wird, als zweiter Begasungsschritt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Aushärtung des Sandballens ein Zweitkomponentenharz verwendet, dessen eine Komponente im Formsand vorgegeben ist und dessen zweite Komponente die Härtersubstanz ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die in flüssiger Form einzusetzende Härterkomponente in einen in der Gas-Ringleitung (11) gelegenen heizbaren Verdampfer (25) einspritzt, wobei gewünschtenfalls das Umpumpen der Gasfüllung des geschlossenen Systems begonnen wird, bevor der Vorgang des Einspritzens der flüssigen Härterkomponente beendet ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den ersten Begasungsschritt in mehreren Impulsen der Härtergasdurchleitung durch den Sandballen mit dazwischenliegenden Pausen einer Gasdurchströmung des Sandballens ausführt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Anwendung der Technik des Kernschießens zur Füllung des Kern- oder Formkastens (1, 19) mit dem Formsand bei Drucken der Schießluft von vorzugsweise bis 7 bar.
  6. Vorrichtung zur Ausübung des zweiten Herstellungsschrittes (Begasung) des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 unter Verwendung einer Begasungsplatte (3), eines Kern- oder Formkastens (1, 19), einer an der Begasungsplatte (3) und an der Bodenseite des Kern- oder Formkasten (1, 19) angeschlossenen Gas-Ringleitung (11) mit zwischengeordneter Gasförderpumpe (12), gekennzeichnet durch wenigstens einen der Gasförderpumpe (12) in der Gas-Ringleitung (11) vorgeschalteten Unterdruckbehälter (15), der nach Schließen eines ihm vorgeschalteten Absperrventils (16; 8) dann mittels der Gasförderpumpe (12) über ein der Gasförderpumpe (12) nachgeschaltetes 3/2-Wegeventil (17) ins Freie entlüftbar ist und ein Volumen aufweist, das ausreicht, eine der in das geschlossene System hineinzulassenden Härtergas-Trägergasmenge bzw. eine der bei der Verdampfung der flüssig in das System eingebrachten Härtersubstanz entstehenden Gasmenge ensprechende Gasmenge bei Aufhebung bzw. Minderung seines Unterdrucks aufzunehmen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß statt eines Unterdruckbehälters (15) mehrere solcher parallel zueinander geschalteter Behälter gegebenenfalls unterschiedlichen Volumens vorgesehen sind, die wahlweise einzeln oder in Kombination miteinander in Funktion zu setzen sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7 zur Begasung des Sandballens mittels eines aus einer Härtersubstanzquelle mit einem Trägergasstroms in das System einzuleitenden Härtergases, gekennzeichnet durch eine in die Gas-Ringleitung (11) einmündende Härtergaszuleitung (4), wobei die Härtergasleitung und die Gas-Ringleitung (11) ein Rückschlagventil (14; 13) aufweisen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7 zur Begasung des Sandballens mittels einer in flüssiger Form in das geschlossene System einzuschleusenden Härtersubstanz, gekennzeichnet durch einen in der Gas-Ringleitung (11) der Begasungsplatte (3) vorgeschalteten, heizbaren Verdampfer (25), in den die Härtersubstanz mittels einer Dosiereinrichtung (23) eingespritzt werden kann.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 zur Ausübung des Verfahrens gemäß Anspruch 5, wobei die Kernschießmaschine und der Kern-oder Formkasten (1) im Zusammenwirken miteinander wenigstens eine seitliche Gasauffangkammer (5) und eine dem Kern- oder Formkasten (1) bodenseitig zugeordnete Gasauffangkammer (6) aufweisen und die Gasauffangkammern (5, 6) über Schlitzdüsen (9, 10) in der Wand des Kern- oder Formkastens (1) mit dessen Innenraum (2) in Verbindung stehen,
    gekennzeichnet durch
    - ein mit jeder seitlichen Gasauffangkammer (5) zusammenwirkendes Ventil (7) zum Auslassen der Schießluft ins Freie,
    - ein mit der bodenseitigen Gasauffangkammer (6) zusammenwirkendes, mit der Gas-Ringleitung (11) verbundenes 3/2-Wegeventil (8) zum Auslassen der Schießluft und zur Steuerung des Gasdurchflusses durch die Gas-Ringleitung (11),
    wobei die Ventile (7, 8) einschließlich des der Gasförderpumpe (12) nachgeschalteten 3/2-Wegeventils (17) in der Weise steuerbar sind, daß die mit den Gasauffangkammern (5, 6) zusammenwirkenden Ventile (7, 8) beim Schießen des Sandkerns zum Freien hin geöffnet sind, und daß beim Begasen des Sandballens die mit den Gasauffangkammern (5, 6) zusammenwirkenden Ventile (7, 8) für einen Gasaustritt ins Freie geschlossen sind und das mit der bodenseitigen Gasauffangkammer (6) zusammenwirkende Ventil (8) und das der Gasförderpumpe (12) nachgeschaltete Ventil (17) für einen Gasdurchfluß durch die Gas-Ringleitung (11) geöffnet sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 zur Ausübung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernformmaschine und der Kern- oder Formkasten im Zusammenwirken miteinander wenigstens aufweisen:
    - einen nach oben offenen Formkasten (19) mit Schlitzdurchlässen (10) am Boden, die zu wenigstens einem den Formkasten (19) umgebenden oder in ihm integrierten Gasleitungskanal (21) führen,
    - eine den Formkasten (19) dicht abschließende Begasungsplatte (20) mit wenigstens einem integrierten Gasableitungskanal (22), wobei die Gasleitungskanäle (21, 22) miteinander kommunizieren,
    - eine durch die Begasungsplatte (20) hindurchführende Gaszuleitung (4) zum Einleiten des Härtergas-Trägergasgemisches bzw. der flüssigen Härterkomponente für den ersten Begasungsschritt
    - und eine den oder die Gasableitungskanäle (22) der Begasungsplatte (20) und die Gasleitung (4) verbindende Gas-Ringleitung (11) zum Umpumpen des das Härtergas enthaltenden Gasgemisches im geschlossenen Gassystem durch die Sandfüllung (2a) des Formkastens (19) hindurch.
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