EP3119545A1 - VERFAHREN ZUM GIEßEN VON GUSSTEILEN - Google Patents

VERFAHREN ZUM GIEßEN VON GUSSTEILEN

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EP3119545A1
EP3119545A1 EP15738697.0A EP15738697A EP3119545A1 EP 3119545 A1 EP3119545 A1 EP 3119545A1 EP 15738697 A EP15738697 A EP 15738697A EP 3119545 A1 EP3119545 A1 EP 3119545A1
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EP
European Patent Office
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mold
filling
casting
binder
heat
Prior art date
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EP15738697.0A
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EP3119545B1 (de
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Klaus Arnold
Dirk Rogowski
Jürgen Schmidt
Rolf SÜSSMANN
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Fritz Winter Eisengiesserei GmbH and Co KG
Original Assignee
Fritz Winter Eisengiesserei GmbH and Co KG
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Publication date
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Priority to RS20191524A priority patent/RS59702B1/sr
Publication of EP3119545A1 publication Critical patent/EP3119545A1/de
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B22C9/046—Use of patterns which are eliminated by the liquid metal in the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C5/00—Machines or devices specially designed for dressing or handling the mould material so far as specially adapted for that purpose
    • B22C5/06—Machines or devices specially designed for dressing or handling the mould material so far as specially adapted for that purpose by sieving or magnetic separating
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    • B22C5/08—Machines or devices specially designed for dressing or handling the mould material so far as specially adapted for that purpose by sprinkling, cooling, or drying
    • B22C5/085—Cooling or drying the sand together with the castings
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    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/108—Installation of cores
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D29/00—Removing castings from moulds, not restricted to casting processes covered by a single main group; Removing cores; Handling ingots
    • B22D29/001—Removing cores
    • B22D29/003—Removing cores using heat
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D30/00—Cooling castings, not restricted to casting processes covered by a single main group
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D45/00—Equipment for casting, not otherwise provided for
    • B22D45/005—Evacuation of fumes, dust or waste gases during manipulations in the foundry
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D29/00—Removing castings from moulds, not restricted to casting processes covered by a single main group; Removing cores; Handling ingots

Definitions

  • the invention relates to a method for casting cast parts, in which a molten metal is poured into a casting mold, which surrounds a cavity forming the casting to be produced, wherein the casting mold consists of one or more mold parts or cores as a lost mold.
  • the mold parts or casting cores are formed from a molding material which consists of a core sand, a binder and optionally one or more additives for adjusting certain properties of the molding material.
  • the casting mold provided whose cores and moldings have been prefabricated in separate operations.
  • the casting mold can be composed as a so-called "core package" of a plurality of casting cores.
  • casting molds which are composed, for example, of only two mold halves, in which the mold cavity forming the casting is formed, wherein mold cores may also be present in order to image recesses, cavities, channels and the like in the casting , Typical examples of castings with a
  • Cylinder crankcase and cylinder heads are made of cast iron by sand casting.
  • Iron casting usually quartz sands, mixed with
  • the casting cores reproducing the internal cavities and channels of the casting are usually formed from commercially available core sands, which are filled with an organic or inorganic binder, eg. B. with a synthetic resin or water glass, are mixed.
  • the basic principle in the production of molds formed from molding materials of the above-mentioned type is that after shaping the binder by a suitable thermal or chemical treatment
  • Molten metal load-bearing internal pressure be very high. In order to absorb this pressure and to reliably avoid bursting of the casting mold, either thick-walled, large-volume casting molds or supporting structures
  • a support structure which is slipped over the mold.
  • the enclosure is usually formed in the manner of a jacket, which the casting mold on their
  • the enclosure Surrounds peripheral sides, but on its upper side has a sufficiently large opening to allow the pouring of the melt into the mold.
  • the enclosure is dimensioned so that after filling at least in the decisive for the support of the mold sections between the inner surfaces of the housing and the outer surfaces of the mold remains a filling space.
  • This filling space is filled with a free-flowing filling material, so that a large-area support of the respective surface portion is ensured at the housing.
  • uniform as possible filling of the filling space an equally uniform
  • Fillers such as sand or steel gravel, used, which have a high bulk density. After filling, the contents are additionally compacted.
  • the aim here is to produce a very compact filling material, which in the manner of an incompressible monolith direct
  • Casting mold to radiate heat If the temperature of the mold exceeds a certain minimum temperature, the binder of the molding material begins to evaporate and burn with the release of further heat. The binder loses its effect. As a result of this decomposition of the binder, the bonding of the grains of the molding material from which the mold parts and cores of the mold are made is lost, and the mold or its parts made of molding material and cores disintegrate into individual fragments.
  • Heat treatment chosen so that the binder of the molding material decomposes. The then automatically falling from the casting, consisting of molding fragments of the mold are still in the heat treatment furnace in a Sandbed caught. There they linger over a certain period of time, around the disintegration of the fragments of the
  • the object of the invention was to provide a method which with optimized Energyeffiziens and in a particularly economical way, the casting production of castings
  • the invention has achieved this object by the method specified in claim 1.
  • the invention thus provides a method for casting castings, wherein a
  • Molten metal is poured into a mold, which encloses a cavity forming the casting to be produced.
  • the mold is as a lost form
  • mold parts are each formed from a molding material consisting of a core sand, a binder and optionally one or more additives for adjusting certain properties of the
  • the method according to the invention comprises the following
  • the binder of the molding material begins to evaporate and burn, so that it loses its effect and the mold breaks up into fragments.
  • the filling material filled in the filling space now has such a low bulk density that the product formed there after filling of the filling space from the filling material
  • the filling material in the method according to the invention when filling the filling space to a minimum temperature, starting from the temperature of the filling material by process heat, by the radiated heat from the mold and by the combustion of the binder
  • the method according to the invention is therefore based on the idea to use the filling material in the sense of a heat storage and to temper and form this heat storage so that the decomposition of the binder of the molding material from which the mold parts and cores of the mold are made, already during the Dwell time in the enclosure by
  • Drop casting and the casting after removal of the enclosure at least in the region of its outer surfaces is largely free of adhering moldings or cores.
  • the present invention filled in the formed between the casting and housing filling space filling material is free-flowing, so that it also completely fills the filling space when in the area of the outer surfaces of the mold undercuts, cavities and the like are present.
  • the filling material has a bulk density which is so low that it is also after filling the filling space and optionally
  • the filling material used according to the invention is to be selected such that it is suitable for a - -
  • Gas flow is permeable, which sets, for example, as a result of thermal convection. This occurs when the mold is heated by the molten metal poured into it and the vaporizing binder components of the molding material of the mold parts and cores begin to evaporate and begin to burn with the release of heat.
  • Meant binder components that become vaporous by the application of heat and are combustible This does not exclude that other binder components remain in solid or other form, for example as cracking products in the mold and there optimally also decomposed by heat influence.
  • the inventively provided flowability of the filled into the filling material with a gas flow creates not only the possibility that the evaporating from the mold binder in the region of the medium itself burns and thereby further heating the contents, but additionally allows the supply of oxygen, the Combustor combustion supported. In this way, the filling material is fed through the over the molten metal and through the
  • Burning the binder heated process heat to a temperature that is so high that the coming into contact with the contents, emerging from the mold
  • Binder proportions of the moldings and cores burn or thermally decomposed at least so that they no longer have the environmental damaging effect or deducted as exhaust from the enclosure and an exhaust gas purification can be supplied. - -
  • the pre-tempered product according to the invention is preferably at a short time interval before casting the
  • Binders progresses and the contents are kept warm for so long. This process continues until only small quantities of binder escape from the casting mold so that no combustible atmosphere forms in the enclosure. However, the hot medium now holds in the manner of a heat storage a temperature above the limit temperature at which it comes to the combustion of the binder. The mold lingers
  • Casting molds whose shaped parts and cores are made of molding material which is bound by an organic binder are particularly suitable for the process according to the invention.
  • an organic binder for example, commercially available solvent-containing binder or such binder in question, the effect of which is triggered by a chemical reaction.
  • Binder systems are today used in the so-called "cold-box process”.
  • the limit temperature is 700 ° C., especially when processing cast iron melt. At above 700 ° C burn in particular safe organic binders. At the same time, at these temperatures other pollutants are released from the mold
  • Preheated temperature is filled in the filling space, it is achieved that the filling material due to the supplied process heat to a lying above the limit temperature
  • Molten metal and the removal of the housing transient residence time can be deducted from the enclosure.
  • the mold placed on a sieve and the trickling down through the sieve plate fragments of
  • the enclosure of the mold can accordingly by a mold surrounding the mold with a sufficient for the formation of the filling space distance, from a thermal
  • an exhaust gas opening may additionally be provided.
  • the effectiveness of the present invention achieved destruction of the moldings and cores of the mold can be further increased by not only the contents, but also the mold itself is designed to flow through gas.
  • channels can be deliberately introduced into the casting mold, through which the hot exhaust gas forming in the filling space or correspondingly preheated oxygen-containing gas flows. In this way, a rapid evaporation, combustion and other thermal decomposition of the molding material binder is also within the mold. The disintegration of the mold is thus additionally accelerated.
  • Targeted channels introduced into the mold may also be used to quench or accelerate certain zones on or in the casting
  • the bias is transmitted by the contacting grains of the medium after the compression.
  • the housing can be assigned to its the mold
  • the contents should at the same time have a low suitability for storing heat, so that the product heats up quickly and can be kept at a temperature above the limit temperature for as long as possible.
  • suitable filling thus combines a low bulk density with a low specific heat capacity of the material from which the items that make up the contents are made.
  • granules or other granular bulk material have proven to be good as filling material.
  • the average diameter of the grains is 1.5 - 100 mm, with optimal filling material is used, the particle sizes are in the range of 1.5 - 40 mm.
  • thermally stable bulk materials are suitable, which are the above
  • Bulk materials such as granules of ceramic materials. These can be irregularly shaped, spherical or with cavities - -
  • the contents may consist of annular or polygonal elements that touch each other only in point contact upon contact, so that between them enough space remains to ensure a good flow.
  • Gas flow at least at the level of the minimum temperature of the medium for the heating of the gas stream, for example, the hot exhaust gas can be used, which is deducted from the enclosure.
  • a known heat exchanger can be used. If a sieve bottom is provided, over which the fragments of the mold, if necessary together with the
  • the oxygen-containing gas stream can also be passed through this sieve tray. This not only has the advantage of a
  • Partial flow of the exhaust stream to be mixed with the oxygen-containing gas stream and return the resulting hot gas mixture in the filling space Partial flow of the exhaust stream to be mixed with the oxygen-containing gas stream and return the resulting hot gas mixture in the filling space.
  • the oxygen-containing gas stream fed into the filling space consists of 10 to 90% by volume of waste gas.
  • the oxygen-containing gas stream supplied to the filling space may be, for example, ambient air.
  • the oxygen-containing gas stream fed to the filling space can be formed by means of a suitably formed flow as a result of the heat convection within the filling space
  • Inlet are sucked into the filling space.
  • An optional control of the gas flow introduced into the filling space may be dependent on the housing
  • the respective gas inlet can be equipped with a mechanism which regulates the supply air as a function of the flow velocity.
  • Suitable for this purpose is, for example, a known per se
  • Pendulum flap which is suspended and loaded so that the flow pressure of the gas flow passing in
  • inventive method also be achieved in that the enclosure with a catalyst device for
  • Decomposition of pollutants contained in the combustion products of the binder is equipped.
  • Casting can after the disintegration of the mold a
  • a controlled cooling curve is cooled in a conventional manner controlled to produce a certain state of the casting.
  • the method according to the invention is suitable for any type of metallic casting materials, during their processing a sufficiently high process heat
  • the invention is particularly suitable
  • the mold used in the invention consists of molded parts or cores, which are formed from molding material, so this concludes
  • the inventive method is particularly suitable for the casting production of
  • the core sand fragments obtained according to the invention when they emerge from the enclosure, are usually still so hot that they can be comminuted in a conventional grinder without additional heat input.
  • the separation takes place after the grinding. This is very simple, because the grain size of the core sand obtained after milling is much smaller than the grain size of the medium.
  • the grinder can be designed so that it is a mechanical
  • Preconditioning of the core sand causes.
  • Such preconditioning can consist, for example, in the fact that the surface roughness of the sand grains is increased by the contact of the core sand with the product granules and thus the adhesion of the binder to the core sand is improved in the subsequent processing into a molded part or core.
  • the regenerated sand obtained after the preparation can be mixed in a conventional manner with new sand.
  • Fig. 1 flowchart that the
  • thermoreactor in different phases of the implementation of the invention
  • Fig. 12 is a collecting container of the thermal reactor in a Figures 2-8 corresponding
  • FIGS. 13 and 14 show a grinder for regenerating core sand in a section guer to its longitudinal axis. 14 shows a casting mold for casting a casting in a manner corresponding to FIGS.
  • Fig. 15 is a filled with contents reservoir of the figures 8 corresponding
  • Fig. 1 is a diagram of the circuit shown in the execution of the invention
  • thermoreactor T shown in FIGS. 2-8 in different phases of the method according to the invention has a screen plate 1, on which a casting mold 2 prepared for casting an iron casting melt is provided
  • the casting mold 2 is intended for the casting production of a casting G, which in the present example is a cylinder crankcase for a commercial vehicle engine. - -
  • the mold 2 is in a conventional manner as
  • the casting mold 2 may comprise components made of steel or other indestructible materials. These include, for example, cooling molds and the like, which are arranged in the mold 2 to a through
  • the casting mold 2 delimits a mold cavity 3 from the environment U into which the iron casting melt is poured off to form the casting G.
  • the molten iron flows through a gate system into the
  • Mold cavity 3 which is not shown here for clarity.
  • the cores and moldings of the mold 2 are in
  • the cores and moldings of the mold 2 are formed. Subsequently, the obtained cores and moldings are gassed with a reaction gas to cure the binder by a chemical reaction and - -
  • the screen plate 1 is with its edge on one
  • thermoreactor T After the mold 2 is positioned on the screen plate 1, a likewise to the thermoreactor T is
  • the belonging enclosure 7 is set to the peripheral edge paragraph 4 of the collection container 5.
  • the housing 7 is formed in the manner of a hood and encases the mold 2 at its outer peripheral surfaces 8. In this case, the
  • the enclosure consists of a thermally insulating material, which may consist of several layers, of which one layer ensures the necessary dimensional stability of the enclosure 7 and another layer thermal insulation.
  • the housing 7 delimits a large opening 11, via which the casting mold 2 can be filled with cast iron melt and the filling space 10 with filling material F (FIG. 3).
  • Reservoir V positioned above the opening 11, from which one then the hot medium F via a
  • Dispensing system 12 can trickle into the filling space 10 (Fig. 4).
  • the filled in the filling space 10 filling package can be compacted if necessary.
  • a lid 13 is placed on the opening 11, which also has an opening 14, through which the cast iron melt can be filled in the mold 2 (Fig. 5).
  • the casting of the iron casting melt then takes place in the casting mold 2 (FIG. 6).
  • a gas inlet 15 formed in the lower edge area of the housing 7 can be used
  • solvent contained in the binder evaporates.
  • the emerging from the mold 2 vaporous solvent reaches in the filling chamber 10, a concentration at which it ignites automatically and
  • heated contents F heated beyond the limit temperature TGrenz of 700 ° C until its temperature reaches the maximum temperature Tmax of approximately 900 ° C.
  • evaporating binder components for an independent combustion is no longer sufficient, takes over the thus heated contents the function of a heat storage, by which the temperature of the mold 2 and in the filling chamber 10 is maintained at a temperature above the threshold of 700 ° C level. In this way, the combustion keeps emerging from the mold 2
  • the filling material pack in the filling space 10 supports the casting mold 2 on its peripheral surfaces and thus prevents the break-through of the mold
  • the flow through the gases emerging from the casting mold 2 through the filling material F causes a good mixing with the supplied gas flow S1, S2, a longer residence time and a good reactivity.
  • Casting mold 2 is thus heated both by the combustion of the binder system and the heat introduced by the metal poured into the casting mold 2, as well as by the preheated filling material F. As a result, the moldings and cores of the mold 2
  • the fragments B and the loose sand fall through the sieve tray 1 in the sump 5 and is collected there.
  • the sieve bottom 1 can be opened in such a way that contents F also enter the collecting container 5 (FIG. 8).
  • Kernsandes already in the enclosure are the - -
  • thermoreactor T Temperatures of product F and the gases flowing in the filling chamber 10 optimally each well above 700 ° C.
  • the conditions in the thermoreactor T are designed so that the regeneration process and the
  • Exhaust gas treatment independently of system availability run independently. Determining and set sizes are the starting temperature of the filler F, the oxygen-containing gas streams S1, S2 flowing in via the gas inlet 15 and the inlet 16, and the casting mold 2 itself.
  • the progress of the destruction of the casting mold 2 and the solidification course of the cast iron melt poured into the casting mold 2 are adapted to each other so that the casting G is sufficiently solidified when the disintegration of the casting mold 2 begins.
  • the collecting container 5 with the molding material / product mixture contained in it is separated from the sieve bottom 1 and the housing 7 likewise removed from the sieve bottom 1.
  • the largely sanded casting G is now freely accessible and can in a this
  • the supplied cooling air is measured so that the
  • Cooling profile is achieved product-specific.
  • a grinder 18 which may be, for example, a rotary tube, mixed intensively and mixed with sufficient oxidation air, so that
  • the contents F of core sand can be separated and both fed to a separate cooling.
  • the resulting core sand is cooled down to near room temperature and, after fractionation, recycled to casting moldings or casting cores for a new casting mold 2.
  • the amount of in the filling space 10 as gas streams S1, S2 conducted combustion air is controlled by mechanically adjustable flaps or slide, with which the ⁇ réellesguer baine the gas inlet 15 and of the access 16 can be adjusted.
  • Adjustment can first be determined via the stoichiometrically required amount of air for combustion of the binder system and then finely adjusted via measurements of CO, NO x and 02 at here formed by the opening 14 of the lid 13 exhaust outlet 19, which is formed in the lid 13 and on the in the filling chamber 10 resulting exhaust gases are discharged from the enclosure 7.
  • phase 1 intensive combustion of the evaporating from the mold 2 binder continues until the concentration KSchadstoff of reaching into the filling chamber 10 from the mold 2, essentially formed by the vaporizing binder combustible gases decreases so much that at Room temperature no combustion would take place.
  • Filled material F remains for a sufficiently long period of time in a range whose upper limit is the temperature Tmax and the lower limit of the temperature is TGrenz.
  • Mold 2 contained evaporative and combustible substances so much chemical energy is available for combustion that product temperatures of well over 1,000 ° C could be achieved. In this case, however, the cooling of the casting would be far
  • Cooling air acting gas streams S1, S2 can be prevented.
  • Selection criterion is a low heat capacity in Combination with the bulk density of the product F to get a temperature rise above the 700 ° C as quickly as possible from phase 1. Due to the oxidation in the bulk material, with adapted combustion air supply and relatively low temperature, a nitrogen oxide formation is largely avoided.
  • Heating up the filling material results in a
  • the gas streams are then rectified and can sufficiently afterburn in the hottest region of the exhaust system in the combustion chamber between the lid 13 and filling F before exiting the exhaust outlet 19 above the sprue.
  • Casting metal after casting gives off its heat to the casting mold and the filling material and that the chemical energy inherent in the binder used in the form of
  • Heat energy Qbl is calculated according to the formula
  • the core sand of the casting mold which was initially at a room temperature of 20 ° C., and the filling material filled with the temperature T 1 of 500 ° C. to the final temperature T 2 of 800 ° C. required heating
  • steel gravel has a significantly lower specific heat capacity cp than a ceramic granulate of the type mentioned here, but a clearly too high bulk density

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Gussteilen, bei dem eine Gießform bereitgestellt wird, die aus einem oder mehreren Gießformteilen oder -kernen besteht, die aus einem aus Kernsand, Binder und optionalen Zusätzen bestehenden Formstoff hergestellt sind. Die Gießform (2) wird in ein Gehäuse unter Ausbildung eines Füllraums (10) zwischen einem Innenflächenabschnitt des Gehäuses und einem zugeordneten Außenflächenabschnitt der Gießform (2) eingehaust. Der Füllraum (10) wird dann mit einem rieselfähigen Füllgut (F) gefüllt und Metallschmelze in die Gießform (2) abgegossen. Diese beginnt einhergehend mit dem Eingießen der Metallschmelze Wärme abzustrahlen. In Folge des Wärmeeintrags durch die Metallschmelze beginnt der Binder des Formstoffs zu verdampfen und zu verbrennen. Er verliert so seine Wirkung und die Gießform (2) zerfällt. Erfindungsgemäß hat das Füllgut (F) eine so geringe Schüttdichte, dass die aus dem Füllgut (F) im Füllraum gebildete Füllgutpackung von einer Gasströmung (S1,S2) durchströmbar ist. Dabei hat das Füllgut (F) beim Befüllen des Füllraums eine Mindesttemperatur, ausgehend von der die Temperatur des Füllguts (F) durch Prozesswärme, die durch die von der Gießform (2) abgestrahlte Wärme und durch die bei der Verbrennung des Binders freiwerdende Wärme gebildet wird, bis über eine Grenztemperatur ansteigt, bei der der ausdampfende Binder zündet und verbrennt.

Description

Verfahren zum Gießen von Gussteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Gussteilen, bei dem eine Metallschmelze in eine Gießform abgegossen wird, die einen das zu erzeugende Gussteil abbildenden Hohlraum umschließt, wobei die Gießform als verlorene Form aus einem oder mehreren Gießformteilen oder -kernen besteht. Die Gießformteile oder Gießkerne sind dabei aus einem Formstoff geformt, der aus einem Kernsand, einem Binder und optional einem oder mehreren Zusätzen zur Einstellung bestimmter Eigenschaften des Formstoffs besteht.
Bei konventionellen Verfahren dieser Art wird
üblicherweise zunächst die das Gussteil abbildende
Gießform bereitgestellt, deren Gießkerne und -formteile in separaten Arbeitsgängen vorgefertigt worden sind. Die Gießform kann dabei als so genanntes "Kernpaket" aus einer Vielzahl von Gießkernen zusammengesetzt sein.
Genauso ist es möglich, Gießformen einzusetzen, die beispielsweise aus nur zwei jeweils aus Formstoff bestehenden Formhälften zusammengesetzt sind, in die der das Gussteil abbildende Formhohlraum eingeformt ist, wobei auch hier Formkerne vorhanden sein können, um im Gussteil Ausnehmungen, Höhlungen, Kanäle und desgleichen abzubilden . Typische Beispiele für Gussteile, die mit einem
erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt werden, sind
Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderköpfe. Für größere und hochbeanspruchte Motoren werden sie aus Eisenguss im Sandgussverfahren hergestellt.
Als Formstoff für die den äußeren Abschluss der Gießform bildenden Gießformteile werden im Bereich des
Eisengusses üblicherweise Quarzsande, gemischt mit
Bentoniten, Glanzkohlenstoffbildnern und Wasser
eingesetzt. Die die innenliegenden Höhlungen und Kanäle des Gussteils abbildenden Gießkerne werden dagegen üblicherweise aus handelsüblichen Kernsanden geformt, die mit einem organischen oder anorganischen Binder, z. B. mit einem Kunstharz oder Wasserglas, vermischt sind .
Unabhängig von der Art der Kernsande und Binder besteht das Grundprinzip bei der Herstellung von aus Formstoffen der voranstehend genannten Art geformten Gießformen darin, dass nach der Formgebung der Binder durch eine geeignete thermische oder chemische Behandlung
ausgehärtet wird, so dass die Körner des Kernsands miteinander verkleben und über eine ausreichende Dauer die Formfestigkeit des jeweiligen Formteils oder -kerns gewährleistet ist.
Gerade beim Gießen großvolumiger Gussteile aus Eisenguss kann der auf der Gießform nach dem Abgießen der
Metallschmelze lastende Innendruck sehr hoch sein. Um diesen Druck aufzunehmen und ein Bersten der Gießform sicher zu vermeiden, müssen entweder dickwandige, großvolumige Gießformen oder Stützkonstruktionen
eingesetzt werden, die die Gießform an ihrer Außenseite abstützen .
Eine Möglichkeit einer solchen Stützkonstruktion besteht in einer Einhausung, die über die Gießform gestülpt wird. Die Einhausung ist üblicherweise nach Art eines Mantels ausgebildet, der die Gießform an ihren
Umfangsseiten umgibt, jedoch an ihrer Oberseite eine ausreichend große Öffnung aufweist, um das Abgießen der Schmelze in die Gießform zu ermöglichen. Die Einhausung ist dabei so bemessen, dass nach dem Aufsetzen zumindest in den für die Abstützung der Gießform entscheidenden Abschnitten zwischen den Innenflächen der Einhausung und den Außenflächen der Gießform ein Füllraum vorhanden bleibt. Dieser Füllraum wird mit einem rieselfähigen Füllgut gefüllt, so dass eine großflächige Abstützung des jeweiligen Flächenabschnitts an der Einhausung gewährleistet ist. Um hier eine möglichst gleichmäßige Füllung des Füllraums, einen ebenso gleichmäßigen
Kontakt der Gießform mit dem Füllmaterial und eine dementsprechend gleichmäßige Abstützung des
zerbrechlichen Gießformstoffs zu erzielen, werden als Füllgut in der Regel feinkörnige, rieselfähige
Füllmaterialien, wie Sand oder Stahlkies, verwendet, die eine hohe Schüttdichte besitzen. Nach dem Befüllen wird das Füllgut zusätzlich verdichtet. Ziel ist es hier, eine möglichst kompakte Füllmasse zu erzeugen, die nach Art eines inkompressiblen Monolithen die direkte
Übertragung der Stützkräfte von der Einhausung auf die Gießform sicherstellt. Die Metallschmelze wird mit hoher Temperatur in die Gießform gegossen, so dass auch die Gießformteile und -kerne, aus denen die Gießform zusammengesetzt ist, stark erwärmt werden. In Folge dessen beginnt die
Gießform Wärme abzustrahlen. Übersteigt die Temperatur der Gießform eine bestimmte Mindesttemperatur, so beginnt der Binder des Formstoffs zu verdampfen und unter Freisetzung weiterer Wärme zu verbrennen. Der Binder verliert dadurch seine Wirkung. Durch diese Zersetzung des Binders geht die Bindung der Körner des Formstoffs, aus dem die Gießformteile und -kerne der Gießform hergestellt sind, verloren und die Gießform bzw. ihre aus Formstoff bestehenden Teile und Kerne zerfallen in einzelne Bruchstücke.
Es ist aus der Praxis bekannt, dass sich dieser Effekt zum Entformen des Gussteils aus der jeweiligen Gießform nutzen lässt. So sind beispielsweise aus der
EP 0 546 210 B2 oder der EP 0 612 276 B2
Wärmebehandlungsverfahren für Gussteile bekannt, bei denen die Gießform mit den Gussteilen in einem
kontinuierlichen Verfahrensablauf aus der Gießhitze in einen Wärmebehandlungsofen einlaufen. Beim Durchlauf durch den Ofen werden die Gießform und die Gussteile über eine ausreichend lange Dauer einer Temperatur ausgesetzt werden, bei der sich der durch die
Wärmebehandlung angestrebte Zustand des Gussteils einstellt. Gleichzeitig ist die Temperatur der
Wärmebehandlung so gewählt, dass sich der Binder des Formstoffs zersetzt. Die dann selbsttätig vom Gussteil abfallenden, aus Formstoff bestehenden Bruchstücke der Gießform werden noch im Wärmebehandlungsofen in einem Sandbett aufgefangen. Dort verweilen sie über eine gewisse Dauer, um den Zerfall der Bruchstücke der
Gießformteile und -kerne weiter zu treiben. Unterstützt werden kann die Zerkleinerung der von der Gießform abfallenden Formstoffbruchstücke dadurch, dass das
Sandbett durch Einblasen eines heißen Gasstroms
fluidisiert wird. Die ausreichend zerkleinerten
Formstoffbruchstücke werden schließlich einer
Aufbereitung zugeführt, in der der Kernsand so
zurückgewonnen wird, dass er■ für die Herstellung neuer Gießformteile und -kerne genutzt werden kann.
Die bekannte Vorgehensweise bei der Entformung und
Aufbereitung der für das Gießen von Gussteilen
benötigten Gießformen hat sich in der Praxis beim Gießen von Teilen für Verbrennungsmotoren aus Aluminium in großer Stückzahl bewährt. Sie setzt allerdings einen Ofen von beträchtlicher Baulänge und ein Handling der Gießformen und Gussteile voraus, das sich bei
großvolumigen Teilen oder Gießformen als aufwändig erweist, die einer zusätzlichen Abstützung durch eine Einhausung der oben beschriebenen Art bedürfen. Dies gilt insbesondere für solche Gussteile, die in kleineren und mittleren Stückzahlen aus Eisenguss hergestellt werden sollen.
Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, welches mit optimierter Energieeffiziens und in besonders wirtschaftlicher Weise die gießtechnische Herstellung von Gussteilen
ermöglicht . - -
Die Erfindung hat diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen
erläutert .
Die Erfindung stellt demnach ein Verfahren zum Gießen von Gussteilen zur Verfügung, bei dem eine
Metallschmelze in eine Gießform abgegossen wird, die einen das zu erzeugende Gussteil abbildenden Hohlraum umschließt. Die Gießform ist als verlorene Form
ausgebildet, die aus einem oder mehreren Gießformteilen oder -kernen zusammengesetzt ist. Diese Gießformteile sind jeweils aus einem Formstoff geformt, der aus einem Kernsand, einem Binder und optional einem oder mehreren Zusätzen zur Einstellung bestimmter Eigenschaften des
Formstoffs besteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei folgende
Arbeitsschritte :
- Bereitstellen der Gießform;
- Elnhausen der Gießform in ein Gehäuse unter Ausbildung eines Füllraums zwischen mindestens einem
Innenflächenabschnitt des Gehäuses und einem zugeordneten Außenflächenabschnitt der Gießform;
- Befüllen des Füllraums mit einem rieselfähigen Füllgut;
- Abgießen der Metallschmelze in die Gießform, - -
- wobei die Gießform einhergehend mit dem Eingießen der Metallschmelze beginnt, Wärme abzustrahlen, die Folge des durch die heiße Metallschmelze bewirkten Wärmeeintrags ist, und
- wobei in Folge des durch die Metallschmelze bewirkten Wärmeeintrags der Binder des Formstoffs zu verdampfen und zu verbrennen beginnt, so dass er seine Wirkung verliert und die Gießform in Bruchstücke zerfällt.
Erfindungsgemäß besitzt nun das in den Füllraum gefüllte Füllgut eine so geringe Schüttdichte, dass die nach dem Befüllen des Füllraums dort aus dem Füllgut gebildete
Füllgutpackung von einer Gasströmung durchströmbar ist.
Darüber hinaus weist das Füllgut beim erfindungsgemäßen Verfahren beim Befüllen des Füllraums eine Mindesttemperatur auf, ausgehend von der die Temperatur des Füllguts durch Prozesswärme, die durch die von der Gießform abgestrahlte Wärme und durch die bei der Verbrennung des Binders
freiwerdende Wärme gebildet wird, bis über eine
Grenztemperatur von 700 °C ansteigt.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt somit der Gedanke zu Grunde, das Füllgut im Sinne eines Wärmespeichers zu nutzen und diesen Wärmespeicher so zu temperieren und auszubilden, dass die Zersetzung des Binders des Formstoffs, aus dem die Gießformteile und -kerne der Gießform gefertigt sind, schon während der Verweilzeit in der Einhausung durch
Temperatureinwirkung weitestgehend zersetzt wird.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die aus Formstoff bestehenden Teile und Kerne der Gießform so weit in Bruchstücke zerfallen sind, dass diese Bruchstücke vom
Gussteil abfallen und das Gussteil nach dem Entfernen der Einhausung zumindest im Bereich seiner äußeren Flächen weitestgehend frei von anhaftenden Formteilen oder -kernen ist.
Gleichzeitig sind zu diesem Zeitpunkt auch die Kerne
zerfallen, die im Inneren des Gussteils Kanäle oder Höhlungen abbilden, so dass der Kernsand und die Formstoffbruchstücke dieser Kerne entweder schon in der Einhausung selbsttätig aus dem Gussteil ausrieseln oder in an sich bekannter Weise, beispielsweise durch mechanische Methoden, wie Rütteln, oder durch Spülen mit einem geeigneten Fluid, aus dem Gussteil entfernt werden können.
Das erfindungsgemäß in den zwischen Gussteil und Einhausung ausgebildeten Füllraum gefüllte Füllgut ist rieselfähig, so dass es den Füllraum auch dann vollständig füllt, wenn im Bereich der Außenflächen der Gießform Hinterschneidungen, Höhlungen und desgleichen vorhanden sind.
Entscheidend ist dabei, dass erfindungsgemäß das Füllgut eine Schüttdichte besitzt, die so gering ist, dass es auch nach dem Füllen des Füllraums und einem gegebenenfalls
durchgeführten Verdichten des in den Füllraum eingefüllten Füllguts noch von einer Gasströmung durchströmbar ist.
Erfindungsgemäß wird also im Gegensatz zum oben genannten Stand der Technik ausdrücklich keine höchstverdichtete
Packung im Füllraum erzeugt, die zwar eine optimale
Abstützung der Gießform sicherstellt, jedoch weitestgehend gasundurchlässig ist. Vielmehr ist das erfindungsgemäß eingesetzte Füllgut so auszuwählen, dass es für eine - -
Gasströmung durchlässig ist, die sich beispielsweise in Folge von thermischer Konvektion einstellt. Diese ergibt sich, wenn die Gießform durch die in sie eingegossene Metallschmelze erhitzt wird und die verdampfenden Binderbestandteile des Formstoffs der Gießformteile und -kerne zu verdampfen sowie unter Freisetzung von Wärme zu verbrennen beginnen.
Wenn hier von einem verdampfenden und verbrennenden Binder die Rede ist, dann sind damit immer diejenigen
Binderbestandteile gemeint, die durch Wärmezufuhr dampfförmig werden und brennbar sind. Dies schließt nicht aus, dass andere Binderbestandteile in fester oder sonstiger Form beispielsweise als Crackprodukte in der Gießform verbleiben und dort optimaler weise ebenfalls durch Wärmeeinfluss zersetzt werden.
Die erfindungsgemäß vorzusehende Durchströmbarkeit des in den Füllraum eingefüllten Füllguts mit einem Gasstrom schafft dabei nicht nur die Möglichkeit, dass der aus der Gießform ausdampfende Binder im Bereich des Füllguts selbst verbrennt und dadurch das Füllgut weiter aufheizt, sondern erlaubt zusätzlich die Zufuhr von Sauerstoff, der die Verbrennung des Binders unterstützt. Auf diese Weise wird das Füllgut durch die über die Metallschmelze zugeführte und durch die
Verbrennung des Binders freigesetzte Prozesswärme auf eine Temperatur erhitzt, die so hoch ist, dass die mit dem Füllgut in Kontakt kommende, aus der Gießform austretenden
Binderanteile der Formteile und -kerne verbrennen oder thermisch zumindest so zersetzt werden, dass sie keine die Umwelt schädigende Wirkung mehr haben oder als Abgas aus der Einhausung abgezogen und einer Abgasreinigung zugeführt werden können. - -
Das erfindungsgemäß vortemperierte Füllgut wird vorzugsweise in kurzem zeitlichem Abstand vor dem Abguss der
Metallschmelze in den Füllraum eingebracht, um
Temperaturverluste zu minimieren.
Nachdem im Füllraum eine ausreichende Konzentration an brennbaren Ausgasungen des Formstoffs erreicht ist, setzt di< Verbrennung durch den Kontakt mit dem aufgeheizten Füllgut ein. Die Verbrennung des aus der Gießform austretenden
Binders schreitet fort und das Füllgut wird so lange weiter temperiert. Dieser Vorgang dauert an, bis nur noch so gering Bindermengen aus der Gießform austreten, dass sich keine brennfähige Atmosphäre mehr in der Einhausung bildet. Das heiße Füllgut hält nun jedoch nach Art eines Wärmespeichers eine Temperatur oberhalb der Grenztemperatur, bei der es zur Verbrennung des Binders kommt. Die Gießform verweilt
dementsprechend mindestens ebenfalls bei dieser Temperatur, so dass in der Gießform verbliebene Binderreste thermisch zersetzt werden.
Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere Gießformen, deren Formteile und Kerne aus Formstoff bestehen der durch einen organischen Binder gebunden ist. Hierfür kommen beispielsweise handelsübliche lösemittelhaltige Binde oder solche Binder in Frage, deren Wirkung durch eine chemische Reaktion ausgelöst wird. Entsprechende
Bindersysteme werden heute im so genannten "Cold-Box- Verfahren" eingesetzt.
Als Grenztemperatur eignet sich in der Praxis insbesondere bei der Verarbeitung von Eisengussschmelze eine Temperatur von 700 °C. Bei oberhalb von 700 °C verbrennen insbesondere organische Binder sicher. Gleichzeitig werden bei diesen Temperaturen andere Schadstoffe, die aus der Gießform
austreten, oxidiert oder in anderer Weise unschädlich
gemacht. Gleiches gilt für die sich in der Gießform in Folge des temperaturbedingten Zerfalls des Binders einstellenden Crackprodukte , die sich ebenfalls bei derart hohen
Temperaturen sicher zersetzen.
Indem erfindungsgemäß das Füllgut auf eine bestimmte
Temperatur vorgeheizt in den Füllraum gefüllt wird, wird erreicht, dass sich das Füllgut in Folge der zugeführten Prozesswärme auf eine über der Grenztemperatur liegende
Temperatur aufheizt. Praktische Versuche haben hier gezeigt, dass als Mindesttemperatur des Füllguts beim Einfüllen in den Füllraum eine Temperatur von 500 °C ausreichend ist.
Einhergehend mit dem Austritt, der Verbrennung und der
Zersetzung des Binders zerfallen die aus Formstoff geformten Teile und Kerne der Gießform in lose Bruchstücke, die
entweder nach dem Entfernen der Einhausung entsorgt und einer Aufbereitung zugeführt werden können oder, vorteilhafter Weise, bereits während der zwischen dem Abgießen der
Metallschmelze und dem Entfernen der Einhausung vergehenden Verweildauer aus der Einhausung abgezogen werden können. Zu diesem Zweck kann die Gießform auf einen Siebboden gestellt und die durch den Siebboden rieselnden Bruchstücke der
Gießform aufgefangen werden. Praktischer Weise werden die Öffnungen des Siebbodens dabei so ausgelegt, dass die
Bruchstücke der Gießform und das Füllgut gemeinsam durch den Siebboden rieseln, aufgefangen, aufbereitet und nach der Aufbereitung voneinander separiert werden. Dies hat den - -
Vorteil, dass kein loses Füllgut mehr in der Einhausung vorhanden ist, wenn die Einhausung abgenommen wird.
Die Einhausung der Gießform kann dementsprechend durch einen die Gießform mit einem für die Ausbildung des Füllraums ausreichenden Abstand umgebenden, aus einem thermisch
isolierenden und ausreichend formsteifen Material bestehenden Mantel, einer als Siebplatte wirkenden perforierten
Trägerplatte, auf der die Gießform gestellt wird, und einem ebenfalls thermisch isolierendem Deckel gebildet sein, der nach dem Befüllen der Gießform aufgesetzt wird. Um ein kontrolliertes Abführen der sich im Füllraum bildenden Abgase zu ermöglichen, kann dabei zusätzlich eine Abgasöffnung vorgesehen sein.
Auch beim erfindungsgemäßen Verfahren kann das in den
Füllraum gefüllte Füllgut verdichtet werden, um zwischen der Gießform und der Einhausung eine Vorspannung zu erzeugen, durch die ein sicherer, positionsgenauer Zusammenhalt der Gießform auch dann gewährleistet ist, wenn die Gießform als aus einer Vielzahl von Formteilen und Kernen
zusammengesetztes Kernpaket ausgebildet ist. Wie erwähnt, ist jedoch aufgrund der geringen Schüttdichte auch bei einem derart kompaktierten Füllgut die Durchströmbarkeit mit einem Gasstrom gesichert.
Die Effektivität der erfindungsgemäß erzielten Zerstörung der Formteile und Kerne der Gießform kann noch dadurch gesteigert werden, dass nicht nur das Füllgut, sondern auch die Gießform selbst gasdurchströmbar ausgelegt wird. Hierzu können gezielt Kanäle in die Gießform eingebracht sein, durch die das sich im Füllraum bildende heiße Abgas oder entsprechend vorgewärmte sauerstoffhaltige Gas strömt. Auf diese Weise setzt auch innerhalb der Gießform ein schnelles Ausdampfen, Verbrennen und sonstiges thermisches Zersetzen des Formstoff- Binders ein. Der Zerfall der Gießform wird so zusätzlich beschleunigt .
Gezielt in die Gießform eingebrachte Kanäle können zudem dazu genutzt werden, an oder in dem Gussteil bestimmte Zonen beschleunigt abzukühlen oder eine solche beschleunigte
Abkühlung zu vermeiden, um in der jeweiligen Zone bestimmte Eigenschaften des Gussteils zu erzielen.
Bei einem erfindungsgemäßen Füllgut wird nach dem Verdichten die Vorspannung durch die einander berührenden Körner des Füllguts übertragen. Um dabei trotz der erfindungsgemäß geforderten Gasdurchlässigkeit des Füllguts zu vermeiden, dass sich die Körner des Füllguts unkontrolliert verschieben, kann die Einhausung an ihrer der Gießform zugeordneten
Innenfläche mit einer strukturierten Oberfläche ausgestattet sein, an der die gegen diese Oberfläche stoßenden Körner zumindest stellenweise formschlüssig abgestützt sind.
Das Füllgut sollte gleichzeitig eine geringe Eignung zur Speicherung von Wärme aufweisen, damit sich das Füllgut schnell aufheizt und über möglichst lange Zeit bei einer über der Grenztemperatur liegenden Temperatur gehalten werden kann .
Optimalerweise für die erfindungsgemäßen Zwecke geeignetes Füllgut kombiniert somit eine geringe Schüttdichte mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität das Materials, aus dem die Einzelteile, die das Füllgut bilden, hergestellt sind. - -
Praktische Untersuchungen haben hier ergeben, dass Füllgut, bei dem das Produkt P aus Schüttdichte Sd und spezifischer Wärmekapazität cp des Materials, aus dem das Füllgut
hergestellt ist, höchstens 1 kJ/dm3K beträgt
(P = Sd x cp 1 kJ/dm3K) , wobei sich Füllgut, bei dem das Produkt P = Sd x cp höchstens 0,5 kJ/dm3K beträgt, sich besonders gut eignet.
Unabhängig davon, ob eine Verdichtung vorgenommen wird, haben sich als Füllgut Granulate oder sonstiges körniges Schüttgut bewährt. Dabei sind derartige Schüttgüter mit Schüttdichten von max. 4 kg/dm3, insbesondere weniger als 1 kg/dm3 oder sogar weniger als 0,5 kg/dm3, für die erfindungsgemäßen
Zwecke besonders geeignet.
Wird ein körniges, schütt- und rieselfähiges Füllgut
eingesetzt, so hat es sich in praktischen Versuchen als günstig erwiesen, wenn der mittlere Durchmesser der Körner 1,5 - 100 mm beträgt, wobei optimalerweise Füllgut verwendet wird, dessen Korngrößen im Bereich von 1,5 - 40 mm liegen.
Dabei zeigt Füllgut, das aus Materialien mit einer
spezifischen Wärmekapazität von max. 1 kJ/kgK, idealerweise kleiner als 0,5 kJ/kgK, besteht, ein für die Erfindung optimales Aufheiz- und Wärmespeicherverhalten.
Als Füllgut sind grundsätzlich alle thermisch belastbaren Schüttgüter geeignet, die die voranstehend angegebenen
Bedingungen erfüllen und ausreichend temperaturbeständig sind. Hierzu eignen sich insbesondere nichtmetallische
Schüttgüter, wie Granulate aus keramischen Materialien. Diese können unregelmäßig geformt, kugelförmig oder mit Hohlräumen - -
versehen sein, um eine gute Durchgasung des in den Füllraum gefüllten Füllguts bei gleichzeitig geringer
Wärmespeichereigenschaft zu erzielen. Auch kann das Füllgut aus ringförmigen oder vieleckigen Elementen bestehen, die bei Kontakt miteinander sich jeweils nur punktförmig berühren, so dass zwischen ihnen jeweils ausreichend Raum verbleibt, um eine gute Durchströmung zu gewährleisten.
Um zu vermeiden, dass es durch den optional über einen
Gaseinlass in die Einhausung geleiteten sauerstoffhaltigen Gasstrom zu einer Abkühlung des Füllguts kommt, kann der Gasstrom vor seinem Eintritt in den Füllraum auf eine
oberhalb der Raumtemperatur liegende Temperatur erwärmt werden. Optimaler weise liegt dabei die Temperatur des
Gasstroms mindestens auf dem Niveau der Mindesttemperatur des Füllguts. Für die Erwärmung des Gasstroms kann beispielsweise das heiße Abgas genutzt werden, das aus der Einhausung abgezogen wird. Dazu kann ein an sich bekannter Wärmetauscher eingesetzt werden. Sofern ein Siebboden vorgesehen ist, über den die Bruchstücke der Gießform ggf. gemeinsam mit dem
Füllgut aus der Einhausung hinaus gelangen können, kann der sauerstoffhaltige Gasstrom auch durch diesen Siebboden geführt werden. Das hat nicht nur den Vorteil einer
großflächigen Einleitung, sondern bewirkt auch, dass der zugeführte Gasstrom durch den Kontakt mit den heißen, aus der Einhausung ausrieselnden Formstoff-Bruchstücken sowie dem ebenso heißen Füllgut erwärmt wird.
Alternativ oder ergänzend ist es auch denkbar, einen
Teilstrom des Abgasstroms mit dem sauerstoffhaltigen Gasstrom zu vermischen und das so erhaltene heiße Gasgemisch in den Füllraum zurückzuführen. Hierzu kann es sinnvoll sein, dass der in den Füllraum geleitete sauerstoffhaltige Gasstrom zu 10 - 90 Vol.-% aus Abgas besteht.
Bei dem dem Füllraum zugeführten sauerstoffhaltigen Gasstrom kann es sich beispielsweise um Umgebungsluft handeln.
Der dem Füllraum zugeführte sauerstoffhaltige Gasstrom kann in Folge der durch Wärmekonvektion innerhalb des Füllraums ausgelösten Strömung über einen geeignet ausgebildeten
Einlass in den Füllraum eingesaugt werden. Alternativ ist es selbstverständlich ebenso denkbar, den Gasstrom mittels eines Gebläses oder desgleichen mit einem gewissen Druck in den Füllraum einzubringen.
Eine optionale Regelung des in den Füllraum eingeführten Gasstroms kann in Abhängigkeit vom aus der Einhausung
austretenden Abgasvolumenstrom erfolgen, um die Entstehung von Überdruck in der im Füllraum herrschenden Atmosphäre zu vermeiden. Hierzu kann der jeweilige Gaseinlass mit einem Mechanismus ausgerüstet sein, der die Zuluft in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit einregelt. Zu diesem Zweck geeignet ist beispielsweise eine an sich bekannte
Pendelklappe, die so aufgehängt und belastet ist, dass der Strömungsdruck der sie passierenden Gasströmung in
Abhängigkeit von Gegengewichten die Strömungsgeschwindigkeit und somit die Verbrennungsluftzufuhr selbsttätig einregelt.
Ebenso ist es denkbar, am Abgasauslass eine Abgasmessung vorzunehmen und den sauerstoffhaltigen Gasstrom in
Abhängigkeit vom Ergebnis dieser Messung zu regeln, um eine vollständige Verbrennung des Binders und der sonstigen möglicherweise aus der Gießform austretenden Gase im Füllraum zu gewährleisten.
Eine Minimierung des Schadstoffausstoßes kann beim
erfindungsgemäßen Verfahren auch dadurch erzielt werden, dass die Einhausung mit einer Katalysatoreinrichtung zur
Zersetzung von in den Verbrennungsprodukten des Binders enthaltenen Schadstoffen ausgestattet ist.
Das nach dem erfindungsgemäßen Entformen freigelegte
Gussteil kann nach dem Zerfall der Gießform eine
Wärmebehandlung durchlaufen, bei der es nach Maßgabe
einer bestimmten Abkühlkurve in an sich bekannter Weise kontrolliert abgekühlt wird, um einen bestimmten Zustand des Gussteils herzustellen.
Selbstverständlich können bei erfindungsgemäßer
Vorgehensweise gleichzeitig mehrere Gießformen gemeinsam in einer Einhausung untergebracht sein und diese
Gießformen parallel oder in zeitlich eng aufeinander
folgender Abfolge mit Metallschmelze befüllt werden.
Grundsätzlich eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für jede Art von metallischen Gusswerkstoffen, bei deren Verarbeitung eine ausreichend hohe Prozesswärme
entsteht. Besonders eignet sich das erfindungsgemäße
Verfahren zum Herstellen von Gussteilen aus Eisenguss, weil aufgrund der hohen Temperatur der Eisengussschmelze die für die Verbrennung des Binders erfindungsgemäß
vorgesehenen Temperaturen besonders sicher erreicht
werden. Insbesondere lassen sich in erfindungsgemäßer - -
Weise GJL -, GJS- und GJV-Eisengusswerkstoffe sowie
Stahlguss verarbeiten .
Wenn hier davon die Rede ist, dass die erfindungsgemäß genutzte Gießform aus Formteilen oder -kernen besteht, die aus Formstoff geformt sind, so schließt dies
selbstverständlich die Möglichkeit ein, innerhalb einer solchen Gießform Einzelteile, wie Kühlkokillen, Stützen und desgleichen, aus anderen Materialien herzustellen. Entscheidend ist lediglich, dass die Gießform so viel Formstoffvolumen enthält, dass es im Zuge des Abgießens der jeweiligen Metallschmelze zum Ausdampfen von Binder kommt, der dann im Füllraum verbrennt und das Füllgut soweit aufheizt, dass es über eine für eine
weitestgehend vollständige Zersetzung des Binders des Formstoffs ausreichende Dauer eine über der
Grenztemperatur liegende Temperatur beibehält.
Die Reinigung des aus der erfindungsgemäß vorgesehenen Einhausung austretenden Abgasstroms kann dadurch
erfolgen, dass die im Abgas noch vorhandenen brennbaren Stoffe in einer Abluftverbrennung nachverbrannt werden. Die dabei frei werdende Wärme kann wiederum genutzt werden, um den in die Einhausung geleiteten
sauerstoffhaltigen Gasstrom vorzuwärmen.
Sofern mit mehreren erfindungsgemäßen Gießformen
parallel zueinander Gusstücke in erfindungsgemäßer Weise erzeugt werden, so kann es zweckmäßig sein, wenn die Gießformen mit den ihnen zugeordneten Einhausungen gemeinsam in einem Tunnel oder desgleichen stehen und die sich bildenden Abgase über eine gemeinsame
Abgasleitung abgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur gießtechnischen Herstellung von
Zylinderkurbelgehäusen und Zylinderköpfen für
Verbrennungsmotoren. Insbesondere dann, wenn die
betreffenden Bauteile für Nutzfahrzeuge bestimmt sind, weisen sie und die für ihre Herstellung jeweils
benötigte Gießform ein vergleichbar großes Volumen auf, bei dem sich die Vorteile der erfindungsgemäßen
Vorgehensweise besonders deutlich auswirken.
Die erfindungsgemäß erhaltenen Kernsandbruchstücke sind, wenn sie aus der Einhausung austreten, in der Regel noch so heiß, dass sie in einem konventionellen Mahlwerk ohne zusätzliche Wärmezufuhr zerkleinert werden können.
Liegen die Kernsandbruchstücke als Mischung mit dem Füllgut vor, so erfolgt nach dem Mahlen die Separierung. Diese ist dann sehr einfach, weil die Korngröße des nach dem Mahlen erhaltenen Kernsands sehr viel kleiner ist als die Korngröße des Füllguts. Das Mahlwerk kann dabei so ausgelegt sein, dass es eine mechanische
Vorkonditionierung des Kernsands bewirkt. Eine solche Vorkonditionierung kann beispielsweise darin bestehen, dass durch den Kontakt des Kernsandes mit dem Füllgut- Granulat die Oberflächenrauhigkeit der Sandkörner vergrößert und somit bei der nachfolgenden Verarbeitung zu einem Formteil oder Kern die Adhäsion des Binders am Kernsand verbessert ist. Der nach der Aufbereitung erhaltene Regenerat-Sand kann in an sich bekannter Weise mit Neusand gemischt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein
Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Deren Figuren zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 Ablaufdiagramm, dass den
erfindungsgemäßen Prozess darstellt;
Fig. 2 - 8 einen Thermoreaktor in verschiedenen Phasen der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens jeweils in einem Schnitt entlang seiner Längsachse;
Fig. 9 den zum Entnehmen des Gussteils geöffneten
Thermoreaktor in einer den Figuren 2 - 8 entsprechenden Ansicht;
Fig. 10 eine Einrichtung zum Abkühlen eines
Gussteils;
Fig. 11 das fertige Gussteil;
Fig. 12 einen Sammelbehälter des Thermoreaktors in einer den Figuren 2 - 8 entsprechenden
Ansicht ;
Fig. 13 ein Mahlwerk zum Regenieren von Kernsand in einem Schnitt guer zu seiner Längsachse; Fig. 14 eine Gießform zum Gießen eines Gussteils in einer den Figuren 8 entsprechenden
Ansicht ;
Fig. 15 einen mit Füllgut gefüllten Vorratsbehälter einer den Figuren 8 entsprechenden
Ansicht .
In Fig. 1 ist als Diagramm der Kreislauf dargestellt, der sich bei der Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergibt. Gestartet wird dabei mit
Gießformteilen und -kernen aus Formstoff, der aus neuem, bisher ungebrauchtem Kernsand, z. B. Quarzsand, und einem konventionellen Binder, beispielsweise einem handelsüblichen Cold-Box-Binder , gemischt ist. Genauso wird neues Füllmaterial, beispielsweise keramisches Granulat mit einer mittleren Korngröße von 1,5 - 25 mm, eingesetzt, das für den ersten Einsatz auf die
geforderte Mindesttemperatur, z. B. 500 °C, erwärmt werden muss, bevor es einsetzbar ist. Im weiteren können diese Ausgangsmaterialien im Kreislauf wiederverwendet werden, wie nachfolgend erläutert.
Der in den Fig. 2 - 8 in verschiedenen Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellte Thermoreaktor T weist eine Siebplatte 1 auf, auf der eine zum Abgießen einer Eisengussschmelze vorbereitete Gießform 2
platziert ist. Die Gießform 2 ist für die gießtechnische Herstellung eines Gussteils G bestimmt, bei dem es sich im vorliegenden Beispiel um ein Zylinderkurbelgehäuse für einen Nutzfahrzeugverbrennungsmotor handelt. - -
Die Gießform 2 ist in konventioneller Weise als
Kernpaket aus einer Vielzahl von außen angeordneten äußeren Kernen oder Formteilen und innen liegend
angeordneten Gießkernen zusammengesetzt. Zusätzlich kann die Gießform 2 aus Stahl oder anderen unzerstörbaren Materialien bestehende Bauteile umfassen. Dazu gehören beispielsweise Kühlkokillen und desgleichen, die in der Gießform 2 angeordnet werden, um durch eine
beschleunigte Erstarrung der jeweils mit der Kühlkokille in Berührung kommenden Schmelze eine gerichtete
Erstarrung des Gussteils G zu erzielen.
Die Gießform 2 grenzt einen Formhohlraum 3 gegenüber der Umgebung U ab, in den die Eisengussschmelze abgegossen wird, um das Gussteil G zu bilden. Die Eisenschmelze strömt dabei über ein Anschnittsystem in den
Formhohlraum 3, das hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist.
Die Kerne und Formteile der Gießform 2 sind in
konventioneller Weise im Cold-Box-Verfahren aus einem konventionellen Formstoff hergestellt, bei dem es sich um eine Mischung aus einem handelsüblichen Kernsand, einem ebenso handelsüblichen organischen Binder und optional zugegebenen Zusatzstoffen handelt, die
beispielsweise der besseren Benetzung der Körner des Kernsands durch den Binder dienen. Aus dem Formstoff werden die Gießkerne und Formteile der Gießform 2 geformt. Anschließend werden die erhaltenen Gießkerne und Formteile mit einem Reaktionsgas begast, um den Binder durch eine chemische Reaktion auszuhärten und - -
dadurch den Kernen und Formteilen die notwendige
Formsteifigkeit zu verleihen.
Die Siebplatte 1 ist mit ihrem Rand auf einem
umlaufenden Randabsatz 4 eines Sammelbehälters 5
abgestützt. In die umlaufende AufStandfläche des
Randabsatzes 4 ist ein Dichtelement 6 eingearbeitet.
Nachdem die Gießform 2 auf der Siebplatte 1 positioniert ist, wird eine ebenfalls zu dem Thermoreaktor T
gehörende Einhausung 7 auf den umlaufenden Randabsatz 4 des Sammelbehälters 5 gesetzt. Die Einhausung 7 ist nach Art einer Haube ausgebildet und ummantelt die Gießform 2 an ihren äußeren Umfangsflachen 8. Dabei weist der
Umfang des von der Einhausung 7 umgrenzten Raums ein Übermaß gegenüber dem Umfang der Gießform 2 auf, so dass nach dem Aufsetzen der Einhausung 7 auf den Siebboden 1 zwischen der äußeren Umfangsfläche der Gießform 2 und der Innenfläche 9 der Einhausung 7 ein Füllraum 10 gebildet ist. Mit ihrem dem Sammelbehälter 5
zugeordneten Rand sitzt die Einhausung auf dem
Dichtelement 6, so dass hier ein dichter Abschluss des Füllraums 10 gegenüber der Umgebung U gewährleistet ist. Die Einhausung besteht aus einem thermisch isolierenden Material, das aus mehreren Schichten bestehen kann, von denen die eine Schicht die notwendige Formstabilität der Einhausung 7 und eine andere Schicht die thermische Isolierung gewährleistet. An ihrer Oberseite umgrenzt die Einhausung 7 eine große Öffnung 11, über die die Gießform 2 mit Eisengussschmelze und der Füllraum 10 mit Füllgut F gefüllt werden kann (Fig. 3). Zum Befüllen des Füllraums 10 mit einem als körniges Granulat ausgebildeten und auf eine Temperatur Tmin von mindestens 500 °C temperiertes Füllgut F wird ein
Vorratsbehälter V über der Öffnung 11 positioniert, aus dem man anschließend das heiße Füllgut F über ein
Verteilsystem 12 in den Füllraum 10 rieseln lässt (Fig. 4) .
Wenn der Füllvorgang abgeschlossen ist, kann die in den Füllraum 10 gefüllte Füllgut-Packung erforderlichenfalls verdichtet werden. Anschließend wird ein Deckel 13 auf die Öffnung 11 gesetzt, der ebenfalls eine Öffnung 14 besitzt, über die die Eisengussschmelze in die Gießform 2 gefüllt werden kann (Fig. 5) .
Anschließend erfolgt der Abguss der Eisengussschmelze in die Gießform 2 (Fig. 6) .
Über einen im unteren Randbereich der Einhausung 7 eingeformten Gaseinlass 15 kann währenddessen
sauerstoffhaltige Umgebungsluft in den Füllraum 10 eintreten. Ebenso wird Umgebungsluft, die über einen Zugang 16 in den Sammelbehälter 5 gelangt, durch den Siebboden 1 in den Füllraum 10 gesogen (Fig. 7).
Die mit dem Abguss der Eisengussschmelze einsetzende gewollte Zerstörung der Gießform 2 und die damit einhergehende Entformung des Gussteils G läuft in zwei Phasen ab.
In der ersten Phase verdampft im Binder enthaltenes Lösemittel. Das aus der Gießform 2 austretende dampfförmige Lösemittel erreicht im Füllraum 10 eine Konzentration, bei der es selbsttätig zündet und
abbrennt. Durch die dabei frei werdende Wärme wird das körnige, auf eine Temperatur Tmin von ca. 500 °C
gebrachte Füllgut F über die Grenztemperatur TGrenz von 700 °C hinaus aufgeheizt, bis seine Temperatur die maximale Temperatur Tmax von annähernd 900 °C erreicht.
Wenn die Konzentration der aus der Gießform 2
ausdampfenden Binderbestandteile für eine eigenständige Verbrennung nicht mehr ausreicht, übernimmt das derart aufgeheizte Füllgut die Funktion eines Wärmespeichers, durch den die Temperatur der Gießform 2 und im Füllraum 10 auf einem oberhalb einer Temperatur TGrenz von 700 °C liegenden Niveau gehalten wird. Auf diese Weise hält die Verbrennung der aus der Gießform 2 austretenden
Binderbestandteile und sonstigen potenziellen
Schadstoffe an, bis kein Binder mehr aus der Gießform 2 ausdampft. Die dann möglicherweise immer noch aus der Gießform 2 austretenden dampfförmigen Stoffe werden durch die im Füllraum 10 herrschende hohe Temperatur oxidiert oder in anderer Weise unschädlich gemacht.
Ebenso tragen zur Vollständigkeit der Verbrennung der aus der Gießform 2 tretenden Gase die
sauerstoffhaltigen, aus Umgebungsluft gebildeten
Gasströme S1,S2 bei, die über den Gaseinlass 15 und den Siebboden 1 in den Füllraum 10 der Einhausung 7
gelangen .
Da die Schüttdichte des Füllguts F so niedrig ist, dass auch nach einer Verdichtung eine gute Gasdurchlässigkeit des im Füllraum 10 vorhandenen Füllgut-Pakets
gewährleistet ist, ist eine gute Durchmischung der aus der Gießform 2 austretenden Gase mit dem Sauerstoff für seine Verbrennung bereitstellenden Gasströmen S1,S2 gewährleistet. Gleichzeitig stützt die Füllgut-Packung im Füllraum 10 die Gießform 2 an ihren Umfangsflachen und verhindert so ein Durchbrechen der
Eisengussschmelze .
Das Durchströmen der aus der Gießform 2 austretenden Gase durch das Füllgut F bewirkt eine gute Durchmischung mit der zugeführten Gasströmung S1,S2, eine längere Verweilzeit und eine gute Reaktionsfähigkeit. Die
Gießform 2 wird so sowohl durch die Verbrennung des Bindersystems und die durch das in die Gießform 2 gegossene Metall eingetragene Wärme, als auch durch das vorgeheizte Füllgut F aufgeheizt. In Folge dessen wird das die Formteile und Kerne der Gießform 2
zusammenhaltende Bindersystem nahezu vollständig
zerstört. Die Formteile und Kerne zerfallen daraufhin in Bruchstücke B oder einzelne Sandkörner.
Die Bruchstücke B und der lose Sand fällt durch den Siebboden 1 in den Sammelbehälter 5 und wird dort gesammelt. Abhängig vom Fortschritt der Zerstörung der Gießform 2 kann der Siebboden 1 dabei so geöffnet werden, dass auch Füllgut F in den Sammelbehälter 5 gelangt ( Fig . 8 ) .
Zur optimalen Verbrennung der aus der Gießform 2 ausgasenden Gase und für die Regenerierung des
Kernsandes bereits in der Einhausung liegen die - -
Temperaturen von Füllgut F und der im Füllraum 10 strömenden Gase optimalerweise jeweils deutlich über 700 °C. Die Bedingungen im Thermoreaktor T sind dazu so gestaltet, dass der Regenerierprozess und die
Abgasbehandlung unabhängig von Anlagenverfügbarkeiten eigenständig ablaufen. Bestimmende und eingestellte Größen sind die Starttemperatur des Füllstoffs F, die über den Gaseinlass 15 und den Zugang 16 zuströmenden sauerstoffhaltigen Gasströme S1,S2 und die Gießform 2 selbst .
Der Fortschritt der Zerstörung der Gießform 2 und der Erstarrungsverlauf der in die Gießform 2 gegossenen Eisengussschmelze sind so aneinander angepasst, dass das Gussteil G ausreichend erstarrt ist, wenn der Zerfall der Gießform 2 einsetzt.
Nachdem die Gießform 2 im Wesentlichen vollständig zerfallen ist, wird der Sammelbehälter 5 mit dem in ihm enthaltenen Formstoff-Füllgut-Gemisch von dem Siebboden 1 getrennt und die Einhausung 7 ebenfalls vom Siebboden 1 abgenommen. Das weitestgehend entsandete Gussteil G ist nun frei zugänglich und kann in einem hierzu
vorgesehenen tunnelartigen Raum 17 kontrolliert
abgekühlt werden (Fig. 10) . Das Gussteil G hat aufgrund des Prozesses eine hohe Temperatur beim Entnehmen, bei dem die Austenit-Umwandlung noch nicht abgeschlossen ist und eine schnelle Abkühlung zu Eigenspannungen und damit zu Rissen führen würde. Aus diesem Grund wird das
Gussteil G in einem Abkühltunnel 17 langsam entsprechend der Glühkurven beim Spannungsarmglühen abgekühlt. Die zugeführte Kühlluft wird so bemessen, dass das
Abkühlprofil produktspezifisch erreicht wird.
Das im Sammelbehälter 5 enthaltene, nach wie vor heiße Gemisch aus Füllgut F, Kernsand und Bruchstücken B wird in einem Mahlwerk 18, bei dem es sich beispielsweise um ein Drehrohr handeln kann, intensiv vermischt und mit ausreichender Oxidationsluft versetzt, so dass
möglicherweise noch vorhandene Binderreste
nachverbrennen. In dieser Prozessstufe kann auch das Füllgut F von Kernsand getrennt werden und beides einer separaten Kühlung zugeführt werden. Eine solche
Nachregenerierung gewährleistet die sichere Einhaltung einer vollständigen Verbrennung des Bindersystems und bereitet zusätzlich durch mechanische Reibung die
Kernsandoberfläche für eine gute Adhäsion des Binders zur Wiederverwendung als Kernsand vor.
Der erhaltene Kernsand wird nahezu auf Raumtemperatur herunter gekühlt und nach Fraktionstrennung einer erneuten Verarbeitung zu Gießformteilen oder Gießkernen für eine neue Gießform 2 zugeführt.
Das Füllgut F wird dagegen auf die vorgesehene
Starttemperatur Tmin gekühlt und im Kreislauf zur erneuten Verfüllung des Füllraums 10 in den
Vorratsbehälter V gefüllt.
Die Menge der in den Füllraum 10 als Gasströme S1,S2 geleiteten Verbrennungsluft wird über mechanisch einstellbare Klappen oder Schieber geregelt, mit denen sich die Öffnungsguerschnitte des Gaseintritts 15 und des Zugangs 16 verstellen lassen. Die jeweilige
Einstellung kann zunächst über die stöchiometrisch benötigte Luftmenge zur Verbrennung des Bindersystems ermittelt und dann über Messungen von CO, NO x und 02 am hier durch die Öffnung 14 des Deckels 13 gebildeten Abgasauslass 19 feinjustiert werden, der in den Deckel 13 eingeformt ist und über den die im Füllraum 10 entstehenden Abgase aus der Einhausung 7 abgeführt werden .
Wie aus Fig. 16 hervorgeht, wird im Füllraum 10
unmittelbar nach dem Abguss durch das Verdampfen des Lösemittels aus dem Bindersystem der Gießform 2 und der sonstigen Ausdünstungen der Gießform 2 eine durch die Kurve KSchadstoff dargestellte hohe
Schadstoffkonzentration erreicht, die selbst bei
Raumtemperaturen eigenständig brennen würde. Die Grenze KGrenz, ab der bei Raumtemperatur eine
Schadstoffkonzentration erreicht ist, die brennbar ist, ist in Fig. 16 durch die strichpunktierte Linie
angegeben. Wegen der hohen Mindesttemperatur Tmin von 500 °C, die im Füllraum 10 durch das dort eingebrachte heiße Füllgut F herrscht, setzt die Verbrennung der in den Füllraum 10 aus der Gießform 2 gelangenden Gase jedoch schon bei einer deutlich niedrigeren
Konzentration ein (s. Fig. 16).
Durch die Verbrennung innerhalb des Granulates in der Phase 1 heizt sich das Granulat auf und seine Temperatur TFüllgut überschreitet nach kurzer Zeit die
Grenztemperatur TGrenz von 700 °C, bei der organische Stoffe bekanntermaßen bei ausreichend Sauerstoffgehalt selbständig oxidieren und somit verbrennen. Der Verlauf der Temperatur TFüllgut ist in Fig. 16 als gestrichelte Linie dargestellt.
Diese Phase ("Phase 1") intensiver Verbrennung des aus der Gießform 2 ausdampfenden Binders hält an, bis die Konzentration KSchadstoff der in den Füllraum 10 aus der Gießform 2 gelangenden, im Wesentlichen durch den verdampfenden Binder gebildeten brennbaren Gase so stark abnimmt, dass bei Raumtemperatur keine Verbrennung mehr stattfinden würde.
Durch die hohe Füllguttemperatur von mehr als 700 ° C wird, wie zuvor beschrieben, diese Oxidation bzw.
Verbrennung in der sich anschließenden Phase 2 dennoch fortgesetzt, wobei die dabei frei werdende Wärme
ausreicht, die Temperatur des Füllguts 10 weiter zu steigern, bis die Maximaltemperatur Tmax erreicht ist. Bei dieser Temperatur verharrt das Füllgut 10, bis der Zersetzungsprozess der Gießform 2 soweit fortgeschritten ist, dass keine nennenswerten Ausgasungen mehr
stattfinden, die Gießform 2 kleinteilig zerfällt und die Formstoffreste in den Behälter 5 fallen. Solange jedoch im Füllraum 10 Verbrennungsprozesse stattfinden, entsteht dabei immer noch so viel Wärme, dass das
Füllgut F über eine ausreichend lange Zeitdauer in einem Bereich verbleibt, dessen Obergrenze die Temperatur Tmax und dessen Untergrenze die Temperatur TGrenz ist.
Erfindungsgemäß wird somit durch die Wahl der
Temperatur, mit der das Füllgut in den Füllraum 10 gefüllt wird, der Zeitpunkt, an dem die Grenztemperatur - -
TGrenz von 700 °C überschritten wird, so festgelegt, dass dieser erreicht ist, bevor durch niedrige
Schadstoffkonzentrationen KSchadstoff der Prozess der Verbrennung im Füllraum 10 nicht mehr zuverlässig mit der notwendigen Intensität stattfindet. Anschließend stellt das dann hoch erhitzte Füllgut F sicher, dass die Zersetzung und Restverbrennung der noch aus der Gießform 2 ausdampfenden Gase stattfindet, auch wenn die dazu im Füllraum vorhandene Konzentration an brennbaren Gasen für sich gesehen bei unterhalb der Temperatur TGrenz liegenden Temperaturen zu gering wäre.
Es konnte nachgewiesen werden, dass mit den in der
Gießform 2 enthaltenen ausdampfenden und brennbaren Stoffen so viel chemische Energie für eine Verbrennung zur Verfügung steht, dass Füllguttemperaturen von weit über 1.000 °C erreicht werden könnten. In diesem Fall würde die Abkühlung des Abgusses aber weit
hinausgezögert, so dass lange Verweilzeiten notwendig würden. Auch dies kann durch die Starttemperatur
bestimmt werden, mit der das Füllgut F in den Füllraum 10 gefüllt wird. Ebenso kann ein zu starker
Temperaturanstieg durch eine Erhöhung der dann als
Kühlluft wirkenden Gasströme S1,S2 verhindert werden.
Bei der Wahl des Füllguts F, bei dem es sich
beispielsweise um Keramikfüllkörper handelt, wird darauf geachtet, dass die einzelnen Körner des Füllguts F eine hohe Druckfestigkeit besitzen, um die Druckkräfte beim Gießen aufzunehmen und im Umlauf den Abriebverlust so gering wie möglich zu halten. Ein weiteres
Auswahlkriterium ist eine geringe Wärmekapazität in Kombination mit der Schüttdichte des Füllguts F, um aus Phase 1 so schnell wie möglich einen Temperaturanstieg über die 700 °C zu bekommen. Durch die Oxidation im Schüttgut, unter angepasster Verbrennungsluftzufuhr und relativ niedriger Temperatur, wird eine Stickoxidbildung weitgehend vermieden.
Da die ausscheidenden Abgase erfindungsgemäß im
Wesentlichen selbst in der ersten Phase die
Füllgutschüttung aufheizen, ergibt sich ein
Temperaturprofil innerhalb der Schüttung, welches die saubere Verbrennung sicherstellt. Die Verbrennungsluft folgt aufgrund der im Füllraum 10 entstehenden
Wärmekonvektionsströmung einer vertikalen Richtung nach oben und die Ausgasung der Schadstoffe aus der Gießform 2 aufgrund der starken Dampfbildung in der ersten Phase einer horizontalen Richtung in das Füllgut-Paket hinein. Durch die Kreuzung der Gasströme innerhalb des Füllguts F wird eine gute Durchmischung gewährleistet.
Im Bereich oberhalb der Gießform 2 sind die Gasströme dann gleichgerichtet und können im heißesten Bereich der Abgasführung im Verbrennungsraum zwischen Deckel 13 und Füllgut F vor dem Austritt aus dem Abgasauslass 19 oberhalb des Gießtrichters ausreichend nachverbrennen.
In einer Beispielrechnung sind auf Grundlage der in Tabelle 1 angegebenen Parameter und Stoffwerte für einen erfindungsgemäßen Prozess die durch die Abkühlung der Schmelze und die Verbrennung des Binders freigesetzte Wärmeenergie Qa sowie die für die Erwärmung des Füllguts sowie die Erwärmung des Kernsands der Gießform benötigte Wärmenergie Qb bestimmt worden.
Dabei ist davon ausgegangen worden, dass als Schmelze eine Graugussschmelze in eine Gießform abgegossen wird, deren Formteile und -kerne im konventionellen Cold-Box- Verfahren aus Formstoff hergestellt sind, der aus
konventionellem Kernsand, d. h. aus Quarzsand, und einem für diese Zwecke ebenso marktüblichen Binder besteht.
Vereinfachend ist zudem unterstellt worden, dass das
Gussmetall nach dem Gießen seine Wärme an die Gießform und das Füllgut abgibt und dass auch die dem verwendeten Binder innenwohnende chemische Energie in Form von
Verbrennungswärme vollständig zum Aufheizen des Füllguts zur Verfügung steht.
Die zum Erstarren der Schmelze abzuführende
Schmelzenwärme Hfus errechnet sich dann gemäß der Formel
Hfus = mSchmeiZe x hfus x 1/1000 MJ/kJ somit im vorliegenden Beispiel zu
Hfus = 170kg x 96kJ/kg x 1/1000 MJ/kJ = 16,3MJ.
Die im Zuge ihrer Abkühlung aus der Schmelze frei werdende Wärmeenergie Qal errechnet sich dann gemäß der Formel
Qal = cp x ΔΤ x m x 1/1000 MJ/kJ - Hfus im vorliegenden Beispiel mit ΔΤ = (Tl - T2) = (850K - 1500K) = -650K zu
Qal = 950 J/kgK x -650K x 170kg x 1/1000 MJ/kJ - 16,3 J Qal = -121MJ.
In entsprechender Rechnung ergibt sich die durch die Verbrennung des im Formstoff enthaltenen Binders freiwerd Wärmenergie Qa2 nach der Formel
Qa2 = hi x mBinder (-1) zu
Qa2 = 30MJ/kg x 4kg x (-1) = -120MJ.
Die Summe der freiwerdenden Wärmeenergie Qa = Qal + Qa2 beträgt dann -241MJ.
Die für die Erwärmung des Kernsands der Gießform von der Temperatur Tl auf die Temperatur T2 benötigte
Wärmeenergie Qbl errechnet sich nach der Formel
Qbl = CpKernsand X (T2 - Tl) X mKernsand
ZU
Qbl = 835 J/kgK x (800K - 20K) x 255kg = 166 [MJ] .
Genauso berechnet sich die für die Erwärmung des
Kernsands der Gießform von der Temperatur Tl auf die Temperatur T2 benötigte Wärmeenergie Qb2 nach der Formel Qb2 = cpFuugut x (T2 - Tl) x mFU1igut zu
Qb2 = 754 J/kgK x (800K - 500K) x 125kg = 28 [MJ] .
Der zum Aufheizen des zu Anfang noch auf Raumtemperatur von 20 °C befindlichen Kernsands der Gießform und des mit der Temperatur Tl von 500 °C eingefüllten Füllguts auf die Endtemperatur T2 von 800 °C benötigte
Wärmebedarf Qb = Qbl + Qb2 beträgt dann insgesamt
Qb = 166MJ + 28MJ = 194MJ.
Bei den in Tabelle 1 angegebenen Parametern ergibt sich demnach in Folge des Wärmeeintrags durch die Schmelze und die Verbrennung des aus der Gießform austretenden Binders ein zum Aufheizen des Füllguts F und zur
Kompensation von Toleranzen und Verlusten zur Verfügung stehender Energieüberschuss von 47 MJ.
Die in Tabelle 1 wiedergegebene Bestimmung einer beim Vergießen einer Grauguss-Eisengussschmelze erzielbare Energiebilanz zeigt, dass bei Verwendung von auf Basis eines konventionellen Bindersystems und unter Verwendung von Quarzsand hergestellten, ebenso konventionellen Formstoffen eine deutliche Überkapazität an Wärmeenergie vorhanden ist. Die zugeführten sauerstoffhaltigen
Gasströme S1,S2 werden in dieser Betrachtung
vernachlässigt, da ihr Einfluss energetisch sehr gering ist . In Tabelle 2 sind für verschiedene Schüttgüter, die hinsichtlich ihrer Temperaturbeständigkeit
grundsätzlich für die Verwendung als Füllgut in Frage kämen, die Schüttdichten Sd, die spezifischen
Wärmekapazitäten cp und das Produkt P = Sd x cp
angegeben. Es zeigt sich, dass beispielsweise Stahlkies zwar eine deutlich geringere spezifische Wärmekapazität cp besitzt als ein Keramikgranulat der hier genannten Art, jedoch eine deutlich zu hohe Schüttdichte
aufweist, um die erfindungsgemäß vorgeschriebene
Gasdurchlässigkeit der im Füllraum um die Gießform vorgesehenen Füllgutpackung zu gewährleisten.
- -
BEZUGSZEICHEN
1 Siebplatte
2 Gießform
3 Formhohlraum
4 umlaufender Randabsatz
5 Sammelbehälter
6 Dichtelement
7 Einhausung (Gehäuse)
8 Umfangsflächen der Gießform 2
9 Innenfläche der Einhausung 7
10 Füllraum
11 Öffnung der Einhausung
12 Verteilsystem
13 Deckel
14 Öffnung des Deckels 13
15 Gaseinlass
16 Zugang
17 Abkühltunnel
18 Mahlwerk
19 Abgasauslass
B Bruchstücke
F Füllgut
G Gussteils
S1,S2 sauerstoffhaltige Gasströme
T Thermoreaktor
U Umgebung
V Vorratsbehälter
Tabelle 1
Tabelle 2

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Gießen von Gussteilen (G) , bei dem eine Metallschmelze in eine Gießform abgegossen wird, die einen das zu erzeugende Gussteil abbildenden Hohlraum (3) umschließt, wobei die Gießform (2) als verlorene Form aus einem oder mehreren Gießformteilen oder -kernen besteht, die aus einem Formstoff geformt sind, der aus einem Kernsand, einem Binder und optional einem oder mehreren Zusätzen zur Einstellung bestimmter
Eigenschaften des Formstoffs besteht, umfassend folgende Arbeitsschritte :
- Bereitstellen der Gießform (2);
- Elnhausen der Gießform (2) in ein Gehäuse (7) unter Ausbildung eines Füllraums (10) zwischen mindestens einem Innenflächenabschnitt (9) des Gehäuses (7) und einem zugeordneten Außenflächenabschnitt (8) der Gießform (2);
- Befüllen des Füllraums (10) mit einem rieselfähigen Füllgut (F);
- Abgießen der Metallschmelze in die Gießform (2),
- wobei die Gießform (2) einhergehend mit dem
Eingießen der Metallschmelze beginnt, Wärme abzustrahlen, die Folge des durch die heiße Metallschmelze bewirkten Wärmeeintrags ist, und - wobei in Folge des durch die Metallschmelze
bewirkten Wärmeeintrags der Binder des Formstoffs zu verdampfen und zu verbrennen beginnt, so dass er seine Wirkung verliert und die Gießform (2) in Bruchstücke (B) zerfällt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das in den Füllraum (10) gefüllte Füllgut (F) eine so geringe Schüttdichte besitzt, dass die nach dem Befüllen des Füllraums (10) dort aus dem Füllgut (F) gebildete Füllgutpackung von einer Gasströmung (S1,S2)
durchströmbar ist, und d a s s das Füllgut (F) beim Befüllen des Füllraums (10) eine Mindesttemperatur (Tmin) aufweist, ausgehend von der die Temperatur des Füllguts (F) durch Prozesswärme, die durch die von der Gießform (2) abgestrahlte Wärme und durch die bei der Verbrennung des Binders freiwerdende Wärme gebildet wird, bis über eine Grenztemperatur (TGrenz) ansteigt, bei der der aus der Gießform (2) ausdampfende, mit dem Füllgut (F) in Kontakt kommende Binder zündet und seine Verbrennung einsetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Produkt P aus Schüttdichte Sd und spezifischer Wärmekapazität cp höchstens 1 kJ/dm3K beträgt.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Schüttdichte Sd max. 4 kg/dm3 beträgt.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Füllgut (F) eine spezifische Wärmekapazität cp von max. 1 kJ/kgK besitzt.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Füllgut (F) aus Granulatkörnern mit einem mittleren Durchmesser von 1,5 - 100 mm gebildet ist.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Temperatur des Füllguts (F) beim Befüllen des
Füllraums (10) mindestens 500 °C beträgt.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Grenztemperatur (TGrenz) 700 °C beträgt.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Einhausung einen Gaseinlass (15) und einen
Abgasauslass (19) hat und d a s s das in dem Füllraum
(10) enthaltene Füllgut (F) zumindest zeitweise und' abschnittsweise von einem sauerstoffhaltigen Gasstrom
(S1,S2) durchströmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Gasstrom (Sl,S2) auf eine oberhalb der Raumtemperatur liegende Temperatur erwärmt ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Gasstrom (S1,S2) in Abhängigkeit vom aus dem
Abgasauslass (19) austretenden Abgasvolumenstrom
geregelt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s an dem Abgasauslass (19) eine Abgasmessung vorgenommen wird und d a s s der Gasstrom (S1,S2) in Abhängigkeit vom Ergebnis dieser Messung geregelt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s ein Teilstrom der aus dem Abgasauslass (19) austretenden Verbrennungsgase mit dem sauerstoffhaltigen Gasstrom (S1,S2) vermischt und das erhaltene Gemisch in das Gehäuse (7) geleitet wird.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Gehäuse (7) mit einer Katalysatoreinrichtung zur Zersetzung von in den Verbrennungsprodukten des Binders enthaltenen Schadstoffen ausgestattet ist.
14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Gießform (2) auf einen Siebboden (1) gestellt wird, und d a s s die Bruchstücke (B) der Gießform (2) und das Füllgut (F) gemeinsam durch den Siebboden (1) rieseln, aufgefangen, aufbereitet und nach der
Aufbereitung voneinander separiert werden.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Gussteil (G) nach dem Zerfall der Gießform (2) eine Wärmebehandlung durchläuft, bei der es nach Maßgabe einer bestimmten Abkühlkurve kontrolliert abgekühlt wird .
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